面对MiniLED显示屏1微米胶高差挑战，如何选择高效高精度的点胶均匀性3D检测方案？【光谱共焦 自动化测量】

MiniLED显示屏点胶的基本结构与技术要求

MiniLED显示屏在微型化和高显示性能方面有着显著优势。简单来说，它就像把无数个比发丝还小的LED灯珠（MiniLED芯片）密密麻麻地排布在一块基板上，然后通过一层透明的胶水（通常是光学胶，也叫封装胶或点胶）把它们固定并保护起来。这层胶水不仅仅是固定作用，更重要的是它会影响LED发出的光线如何传导、散射，最终决定你看到的屏幕显示效果。

我们可以把MiniLED芯片想象成一个个微小的光源，而封装胶水则像一层精心设计的“光罩”。这层“光罩”的厚度和形状至关重要。如果胶水层高度不一致，就像这个“光罩”有的地方厚、有的地方薄，那么光线穿过时就会受到不同的影响。比如，薄的地方可能光线透过更多，显得更亮；厚的地方可能光线被吸收或散射更多，显得暗一些。长期下来，这种不均匀性还会给MiniLED芯片带来不均匀的应力，影响显示屏的寿命和可靠性。

因此，对MiniLED显示屏点胶过程而言，核心的技术要求是确保胶水的高度具有极高的一致性，通常要求胶高差小于等于1微米（1μm）。这比一根头发丝直径（约50-70μm）还要细几十倍。要达到这样的精密程度，点胶设备的精准控制和实时、高精度的测量反馈是必不可少的。只有这样，才能保证最终的显示均匀性（屏幕上没有明显的亮暗不均或色差）和产品的生产良率。

MiniLED显示屏点胶的相关技术标准简介

为了确保MiniLED显示屏点胶的质量，行业内通常会关注并评估几个关键参数。这些参数的定义和评价方法是衡量点胶质量的基础：

• 点胶高度/厚度（Dispensing Height/Thickness）：这是指胶水层从基板表面到胶水最高点的垂直距离。在实际测量中，会选取点胶区域内的多个点进行高度测量，然后计算它们的平均值，并重点评估这些点之间高度的一致性，也就是它们的最大高度差。

• 点胶均匀性（Dispensing Uniformity）：这个参数描述的是胶水层在整个点胶区域内的厚度变化程度。评价时通常通过计算区域内的最大高度差、标准偏差或者任意两点之间的高度差来量化。目标是确保胶水层在光学性能上高度一致，避免光线通过时产生局部亮暗不均或颜色偏差，因为这些都可能导致我们常说的“Mura效应”（显示不均匀）。

• 胶水轮廓/形貌（Glue Profile/Morphology）：这指的是胶水固化后的表面形状。它不仅包括胶水的整体平整度，还包括胶水边缘的斜率、是否存在溢胶、断胶或气泡等。评价方法通常是通过获取点胶区域的完整三维（3D）数据，然后进行表面拟合和特征提取。不规则的轮廓会影响光线的折射和散射，进而影响显示效果。

• 缺陷检测（Defect Detection）：除了几何尺寸，还需要检测点胶过程中可能出现的各种缺陷，例如断胶（胶水不连续）、溢胶（胶水超出预定范围）、气泡（胶水内部有气泡）、杂质（胶水中有异物）等。这些缺陷通常通过高分辨率的视觉检查或通过3D测量数据分析是否存在异常形貌来发现。

实时监测/检测技术方法

要解决MiniLED显示屏点胶高度不一致的挑战，并满足严格的显示均匀性与良率要求，关键在于采用高精度、高效率的实时监测/检测技术。

市面上各种相关技术方案

在工业测量领域，有多种先进的非接触式光学测量技术可以用于MiniLED点胶的检测，它们各有特点，适用于不同的场景。

• 光谱共焦测量技术

  光谱共焦测量技术利用轴向色差的原理。简单来说，它使用一个特殊的透镜，将包含不同波长的光聚焦在不同的轴向位置上。当光照射到被测物体表面时，只有特定波长的光在其焦点位置上才能被清晰地反射回传感器。通过分析反射回来的光的波长，就可以精确确定被测物体的高度。

  这种技术的物理基础是色差成像原理。宽谱白光（或彩色激光）通过一个具有轴向色差的光学透镜系统，使得不同波长的光在光轴上形成不同的焦点。当被测表面处于某个特定波长光的焦点时，该波长光的反射信号最强。传感器通过检测反射光的光谱强度分布，找到峰值波长λ_peak。由于光学系统是经过精密标定的，存在一个已知的波长-距离对应关系（即Z = f(λ)，其中Z是测量距离，f是与光学系统色差特性相关的函数），因此可以精确计算出被测表面的高度。

  核心性能参数的典型范围：* Z轴分辨率：通常可达纳米级（如1纳米）。* 精度：最高可达亚微米级（例如±0.01微米）。* 采样频率：可达数万赫兹（例如33,000Hz）。* 光斑尺寸：最小可达微米级（例如2微米），适合测量微小结构。

  技术方案的优缺点：* 优点： * 超高精度与分辨率：能够达到MiniLED点胶所需的亚微米甚至纳米级精度。 * 多材质适应性：对透明胶水、高反射的LED芯片表面、以及普通漫反射基板都能稳定测量，适合MiniLED封装的多层结构。 * 微小光斑：测量光斑极小，能精确捕捉到点胶表面的微观细节和微小形貌变化。 * 非接触：避免对MiniLED脆弱结构造成任何损伤。* 缺点： * 测量范围相对有限，通常在毫米级到几厘米之间，不适合超大面积的单次测量。 * 设备成本相对较高。* 适用场景：对MiniLED点胶高度、厚度、平面度等有精度要求的场合，尤其适合透明胶水和微小区域的精密测量。

• 激光三角测量技术

  激光三角测量技术通过发射激光束到物体表面，并利用传感器检测反射光的位置来确定物体的高度。激光器以一定角度发射激光，并在物体表面产生一个光点。摄像头从另一个角度捕捉这个光点的位置，通过三角几何关系计算出物体的高度信息。

  这种技术的物理基础是三角测量原理。激光器以一个固定角度向被测表面发射激光束（或线激光），反射光经过接收透镜聚焦到CMOS或CCD图像传感器上。当被测物体的高度h发生变化时，反射光斑在传感器上的成像位置X也会相应改变。根据激光器、接收透镜和传感器之间精确的几何关系，可以建立一个数学模型来计算高度。简化的几何关系可以通过相似三角形得到：h / f = X / B (当倾角为90度时)，更一般的公式会涉及到入射角θ：h = (f * B * sin(θ)) / (X * cos(θ) + f * sin(θ))，其中f是接收透镜焦距，B是激光器与接收器之间的基线距离。

  核心性能参数的典型范围：* Z轴重复精度：可达亚微米级（例如0.25-1微米）。* X轴测量精度：可达亚微米级（例如0.3-0.6微米）。* 扫描速度：非常高，可达数万赫兹（例如64kHz），适合高速在线检测。

  技术方案的优缺点：* 优点： * 测量速度快：适合MiniLED生产线的在线高速批量检测。 * 测量范围大：通常能覆盖较大范围的高度变化和宽度。 * 成本相对适中：相比其他超高精度光学方法，通常成本更低。* 缺点： * 对透明/镜面表面测量困难：光线在透明胶水表面会发生多次反射和折射，难以获得清晰的反射光斑；对高反射的LED芯片表面可能出现饱和或数据不稳定。 * 分辨率和精度通常低于光谱共焦或白光干涉法。 * 光斑尺寸相对较大：可能无法捕捉MiniLED点胶的微观细节。* 适用场景：MiniLED点胶轮廓的快速在线检测，特别是对胶水表面具有一定漫反射特性的情况，但对透明胶水内部厚度测量能力有限。

• 白光干涉测量技术

  白光干涉测量技术利用白光干涉原理实现对物体表面形貌的测量。该技术将白光分成两束，一束照射到被测物体表面，另一束照射到参考镜面。两束光反射后重新汇合，产生干涉条纹。通过分析干涉条纹的形状和分布，可以得到被测物体表面的高度信息。

  这种技术的物理基础是白光干涉原理，通常采用迈克尔逊干涉仪或其变体。宽谱白光经分束器分为两束：一束作为测量光照射被测表面并反射，另一束作为参考光照射标准参考镜面并反射。两束光在分束器处再次汇合，并在传感器上形成干涉图样。当测量光与参考光的光程差接近零时（即两束光在空间中达到最佳重叠），将产生对比度最高的干涉条纹。系统会沿Z轴扫描被测物或物镜，并记录每个像素点干涉条纹的最大调制深度位置。通过分析这个位置，即可计算出表面高度。其强度分布可以表示为I(z) = I0 * [1 + γ(z) * cos(2π * k0 * z + φ0)]，其中I(z)是干涉强度，I0是平均强度，γ(z)是干涉包络函数，k0是白光的中心波数，φ0是相位。通过识别γ(z)的峰值位置（即零光程差位置）来确定高度。

  核心性能参数的典型范围：* Z轴分辨率：可达亚纳米级（例如<0.1纳米RMS）。* 垂直测量重复性：可达亚纳米级（例如<0.1纳米RMS）。* Z轴测量范围：通常从数纳米到10毫米。

  技术方案的优缺点：* 优点： * 极高的垂直分辨率和精度：是目前最高精度的光学测量方法之一，能够实现纳米甚至亚纳米级的测量。 * 非接触：不会对MiniLED封装造成任何物理损伤。* 缺点： * 测量速度相对较慢：不适合高速在线检测，更多用于实验室或研发阶段的分析。 * 对表面粗糙度和平整度要求较高：对陡峭斜面或高度不连续的表面测量效果可能不佳，需要特殊物镜。 * 设备成本高昂。* 适用场景：MiniLED点胶的实验室级形貌分析，研发阶段的胶水特性验证，对胶高差要求微小的场景，特别是在需要分析胶水表面粗糙度等特征时。

• 焦点变化法（Focus Variation）

  焦点变化法通过在不同高度采集图像，并分析图像的清晰度来确定物体表面的高度信息。当物体表面位于镜头的焦平面上时，图像最清晰。通过记录不同位置的清晰度，可以构建出物体表面的三维形貌。

  这种技术的物理基础是景深原理。当光学显微镜的物镜沿Z轴方向扫描样品时，只有位于物镜焦平面上的表面特征能被清晰成像。通过在不同高度上采集一系列光学图像，系统利用图像处理算法（如Tenengrad梯度法、Laplacian算子等）评估每个像素点的清晰度或对比度。当某个像素点的清晰度达到最大时，其对应的Z轴位置就被认为是该点的表面高度。将所有像素点的最佳焦点位置数据集合起来，即可构建出完整的3D形貌数据。

  核心性能参数的典型范围：* Z轴分辨率：可达纳米级（例如0.5纳米）。* X/Y轴分辨率：可达亚微米级。* Z轴测量范围：最高可达20毫米。

  技术方案的优缺点：* 优点： * 测量范围广：可以覆盖较大的测量区域和高度变化。 * 对复杂表面适应性好：对具有一定粗糙度、陡峭斜面（例如MiniLED点胶边缘）的表面表现出色。 * 操作相对简便：软件功能通常强大，易于实现多种测量和分析。* 缺点： * 测量速度通常不如激光三角测量，不适合超高速在线检测。 * 精度和分辨率在某些方面可能略低于白光干涉和光谱共焦，特别是垂直方向的精度。 * 需要一定的表面纹理才能有效判断焦点。* 适用场景：MiniLED点胶的大面积3D形貌检测，特别是当胶水表面可能存在一定粗糙度或微小起伏，且对速度要求适中的情况下。

市场主流品牌/产品对比

以下将介绍在精密测量领域中，解决MiniLED点胶高度检测问题的几家品牌及其产品。

• 日本基恩士 采用激光三角测量技术。其LJ-X8000系列在MiniLED点胶检测中表现出色。

  • 核心技术参数：Z轴重复精度最低可达0.25 µm（LJ-X8002为1 µm），X轴测量精度最低可达0.3 µm（LJ-X8002为0.6 µm），扫描速度最高可达64kHz。测量宽度从2mm到240mm不等。

  • 应用特点：适合MiniLED显示屏点胶的在线批量检测，能够获取点胶轨迹的3D轮廓数据。

  • 独特优势：具有图像处理和测量算法，能够识别点胶缺陷（如高度不均、断胶、溢胶），易于集成到自动化生产线。

• 英国真尚有 采用光谱共焦测量技术。其EVCD系列光谱共焦位移传感器是专为高精度工业测量设计。

  • 核心技术参数：采样频率最高可达33,000Hz，分辨率最高可达1nm，线性精度最高可达±0.01%F.S.，最小光斑尺寸可达2μm，标准型号最大可测倾角达±20°，特殊设计型号可达±45°。

  • 应用特点：对多种材质有适应性，擅长测量透明胶水的厚度和多层结构，可用于测量微小点胶区域的形貌。

  • 独特优势：提供多层测量能力，无需已知折射率即可直接测量透明材料厚度，采用彩色激光光源提升光强稳定性，模块化设计方便维护。

• 德国蔡司 集成了共焦显微镜和焦点变化法等多种光学测量模式。其ZEISS Smartproof 5系列提供多功能3D表面轮廓分析。

  • 核心技术参数：Z轴分辨率最高0.5 nm（共焦模式），或0.1 nm（白光干涉模式，如果集成）。Z轴测量范围0.1 µm至10 mm。

  • 应用特点：垂直分辨率和精度，能够对MiniLED点胶进行形貌分析。

  • 独特优势：提供多种测量模式，功能全面，适用于研发和质量控制。

• 美国布鲁克 采用白光干涉测量技术。其Bruker ContourGT-K光学轮廓测量系统在纳米级测量方面表现突出。

  • 核心技术参数：Z轴分辨率<0.1纳米（RMS），垂直测量重复性<0.1纳米（RMS）。Z轴测量范围从数纳米至10毫米。

  • 应用特点：垂直分辨率和精度，适合MiniLED点胶高度、体积、粗糙度等微观形貌测量。

  • 独特优势：非接触式测量，避免对MiniLED点胶结构造成损伤；系统稳定可靠，适用于实验室分析和自动化生产线的质量监控。

• 美国康耐视 采用3D激光位移传感器（结合线激光三角测量和结构光技术）。其Cognex DSMax系列提供3D测量。

  • 核心技术参数：Z轴重复性0.5微米至2.5微米，X轴分辨率20微米至45微米，扫描速度最高可达18kHz。

  • 应用特点：为工业自动化设计，提供高速3D测量能力，适用于MiniLED点胶的在线质量检测。

  • 独特优势：提供灵活的测量工具和缺陷检测算法，易于集成，提高生产效率和良品率。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的传感器如同挑选工具，每一个指标都关系到最终效果。

• 精度与分辨率

  • 实际意义：精度是测量结果和真实值之间的接近程度，分辨率是传感器能检测到的最小高度变化量。

  • 对测量效果的影响：对于MiniLED点胶这种胶高差要求的应用，如果传感器的精度和分辨率不够高，就无法判断胶水是否合格。

  • 选型建议： 优先选择Z轴分辨率在纳米级（如1纳米或0.1微米）且线性精度在±0.01%F.S.或±0.01微米以内的传感器。光谱共焦和白光干涉技术在这方面具有优势。

• 重复性

  • 实际意义：重复性是指在相同条件下，对同一位置进行多次测量，测量结果之间的一致性。

  • 对测量效果的影响：重复性差的传感器，测量值每次都不一样，无法信任它的数据。

  • 选型建议：应关注重复性指标，确保其小于1微米的目标胶高差，例如0.1微米或更低，才能提供稳定的数据反馈。

• 测量速度/采样频率

  • 实际意义：传感器每秒能进行的测量次数。

  • 对测量效果的影响：如果检测速度跟不上点胶机的速度，会造成生产瓶颈，增加不良品流出的风险。

  • 选型建议：对于在线检测，需要兼顾速度和精度。采样频率应达到数千赫兹甚至更高（例如33,000Hz或64kHz），以确保能对高速移动的点胶轨迹进行密集采样。

• 光斑尺寸

  • 实际意义：测量光束在被测物体表面形成的有效区域大小。

  • 对测量效果的影响：光斑过大，会把微小的高度变化“平均”掉，无法捕捉到点胶边缘的精细轮廓或局部缺陷。

  • 选型建议：选择光斑尺寸在微米级的传感器，以确保能探测点胶的微观形貌和边缘。

• 量程

  • 实际意义：传感器可以测量的最大高度范围。

  • 对测量效果的影响：量程太小，可能无法覆盖点胶的整个高度变化范围。

  • 选型建议：根据MiniLED点胶的实际高度范围选择合适的量程，保证在该量程内的精度。

• 材质适应性与多层测量能力

  • 实际意义：传感器对不同材质的测量能力以及同时测量透明介质上下表面的能力。

  • 对测量效果的影响：如果传感器无法稳定测量透明胶水或区分不同层，就无法获取胶水本身的厚度。

  • 选型建议：光谱共焦传感器在测量透明胶水厚度，识别多层结构方面有优势。

• 倾角测量能力

  • 实际意义：传感器能够稳定测量斜面或弧面物体的最大角度。

  • 对测量效果的影响：如果传感器对倾角的适应性差，在测量点胶边缘时容易出现数据丢失或不准确。

  • 选型建议：选择具备较好倾角测量能力的传感器，确保点胶边缘轮廓的准确获取。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了传感器，在实际的MiniLED点胶检测应用中，仍可能遇到一些挑战。

• 问题：环境振动和温度变化影响测量稳定性。

  • 原因与影响：生产线上的振动或温度波动会导致测量数据出现噪声，降低精度和重复性，甚至产生错误判断。

  • 解决建议：

    • 硬件防护：将传感器和被测物安装在防震平台上，远离振动源。

    • 环境控制：在测量区域实施温度和湿度控制，减少热膨胀或收缩的影响。

    • 软件补偿：利用传感器内置的数据滤波功能来平滑数据中的随机噪声。

• 问题：透明或高反射表面测量挑战。

  • 原因与影响：传统激光传感器在透明材料表面会发生多次反射和折射，难以获得清晰的单一反射信号；高反光的LED芯片表面可能导致传感器接收到的光信号过强而饱和，或者反射信号不稳定。

  • 解决建议：

    • 选用合适技术：优先选用光谱共焦传感器。

    • 参数优化：调整传感器的测量参数，例如光强、积分时间、增益等，以适应不同材质的反射特性，避免过饱和或信号不足。

• 问题：生产节拍快，检测速度跟不上。

  • 原因与影响：如果检测系统速度较低，无法实现全覆盖的在线检测，导致检测成为生产线的瓶颈，影响生产效率，增加不良品流出的风险。

  • 解决建议：

    • 选择高频传感器：选用具有高采样频率和数据处理能力的传感器和控制器。

    • 优化测量策略：优化测量路径和数据采集策略，只对关键点或关键区域进行高密度采样，其他区域进行低密度或抽样测量。

    • 多传感器协同：利用多通道传感器并行测量，或者采用多个独立传感器协同工作。

• 问题：点胶不均匀导致显示Mura（不均匀）效应。

  • 原因与影响：胶高差过大是Mura效应的直接原因之一，严重影响产品的外观和用户体验，降低产品良率。

  • 解决建议：

    • 闭环控制：通过高精度3D形貌测量系统对点胶高度进行检测，将实时测量数据反馈给点胶设备，实现点胶参数的闭环调整。

    • 工艺优化：分析点胶高度数据，找出不均匀的模式和规律，从而优化点胶工艺参数。

    • 定期校准：定期对点胶设备和测量系统进行校准和维护，确保其长期稳定性。

应用案例分享

高精度光学测量技术在MiniLED及相关精密制造领域有着应用。

• 在高端智能手机的MiniLED背光模组生产中，光谱共焦传感器可用于测量光学胶的厚度及平整度，确保背光亮度均匀。

• 在对可靠性要求极高的车载显示屏领域，检测MiniLED显示屏点胶的高度一致性，保障显示屏在震动、宽温等极端环境下的稳定性。

• 在极小尺寸的VR/AR微显示器模组制造中，对微米级甚至亚微米级的点胶进行测量与质量控制，以满足高分辨率、高像素密度和沉浸式体验的要求。

• 在半导体制造流程中，用于测量晶圆的厚度、平整度、沟槽深度和倾斜度，确保芯片封装和堆叠的精确性。

• 应用于镜片、透镜等光学元件的厚度、平面度、弧高测量，以及蓝玻璃等精密光学产品的尺寸一致性检测。