如何高效实现显示屏边缘±1微米级平面度与翘曲度的非接触测量？【自动化检测方案】

1. 显示屏的基本结构与平面度技术要求

显示屏，特别是我们日常使用的智能手机、平板电脑、电视等设备中的屏幕，通常是由多层精密材料复合而成的。你可以把它想象成一个由多层超薄玻璃、光学膜、液晶层或OLED发光层以及背板等像“三明治”一样堆叠起来的结构。每一层都非常薄，可能只有几十微米到几百微米厚，而且彼此之间需要严丝合缝、没有空隙或气泡，才能确保图像显示清晰、色彩准确。

在这个多层结构中，“平面度”是一个极其关键的指标。简单来说，平面度就是衡量一个表面有多“平”的参数。对于显示屏而言，无论是玻璃盖板的表面、显示面板的基板，还是内部的各个光学层，都要求具有极高的平面度。如果显示屏表面不平，哪怕是只有几微米甚至几十微米的微小起伏，在光线照射下就可能出现图像畸变、色彩不均，甚至在边缘区域产生视觉上的波纹、阴影或“漏光”现象。尤其是在显示屏的边缘区域，由于结构复杂，应力集中，更容易出现翘曲、凹陷等平面度问题。为了确保显示屏的视觉效果和最终产品的可靠性，对这些微小的平面度偏差进行高精度测量和控制是生产过程中的重要环节，通常要求达到微米乃至亚微米级别。

2. 针对显示屏平面度的相关技术标准简介

在显示屏制造行业中，为了统一和规范产品的质量评估，会有一系列技术标准来定义和评价显示屏的各种性能参数。对于平面度测量，主要关注以下几个核心参数的定义和评价方法：

• 平面度 (Flatness)：这是最核心的参数，指的是被测表面上所有点相对于一个理想基准平面的最大偏差范围。想象一下，如果把一个显示屏表面看作一个地形图，平面度就是这个地形图上最高点和最低点之间的垂直距离。评价时，通常会先定义一个最佳拟合平面（例如，最小二乘平面），然后计算表面上所有点到这个拟合平面的最大正偏差和最大负偏差之和。

• 翘曲度 (Warpage)：翘曲度特指物体由于内部应力或外部环境变化（如温度）导致的整体性弯曲或扭曲。它与平面度的区别在于，平面度关注的是局部不平，而翘曲度描述的是整个部件的宏观形变。评价翘曲度时，通常会在显示屏的多个特定位置进行高度测量，然后根据这些测量点来计算整体的弯曲程度。

• 总厚度变化 (TTV - Total Thickness Variation)：这个参数主要用于多层透明材料（如玻璃）的厚度测量。它指的是在整个显示屏区域内，其总厚度的最大值与最小值之差。如果显示屏的TTV过大，可能会导致不同区域的显示效果不一致，甚至影响组装。

• 局部厚度波动 (LTW - Local Thickness Variation)：与TTV关注整体厚度变化不同，LTW衡量的是在特定局部区域内厚度的变化情况。这对于识别显示屏内部可能存在的局部缺陷或不均匀性非常重要。

• 表面粗糙度 (Roughness)：虽然平面度关注的是宏观的平整性，但表面粗糙度则关注微观层面的平整度，即表面微小不平的程度。对于显示屏表面，过大的粗糙度会影响光学性能，如导致眩光或降低透光率。常用的评价参数有Ra（算术平均偏差）、Rz（最大轮廓高度）等。

这些参数的测量和评价，都需要借助高精度的测量设备，在无接触、不损伤显示屏表面的前提下，获取精确的三维形貌数据，再通过专业的软件进行计算和分析。

3. 实时监测/检测技术方法

为了确保显示屏边缘平面度达到±1μm甚至更高的可靠性要求，市面上有多种高精度非接触式测量技术可供选择。

（1）、市面上各种相关技术方案

这里我们将深入探讨几种主流的测量技术，每种技术都有其独特的工作原理和适用场景。

• a. 激光三角测量技术

想象一下，你拿着一个激光笔，斜着照向一个物体，激光束打在物体表面形成一个亮点。如果你从另一个角度看过去，这个亮点的位置就会根据物体表面高低起伏而变化。激光三角测量就是利用这个原理。

工作原理和物理基础：激光三角测量系统通常由一个激光发射器、一个接收器（通常是CCD或CMOS图像传感器）和一个透镜组成。激光器发出一束线状或点状激光，斜射到被测显示屏表面。当激光束照射到表面时，会形成一个光斑（对于线激光则是一条光线）。这个光斑（或光线）的反射光通过接收透镜被图像传感器接收。由于激光器、透镜和图像传感器之间形成了一个固定的“三角”，当被测表面的高度发生变化时，反射光斑在图像传感器上的位置也会发生偏移。通过精确测量这个偏移量，就可以根据三角几何关系计算出被测点的高度信息。

其核心几何关系可以用简单的三角函数来描述。假设激光器与接收器之间有一个固定距离 B，激光器发射角为 α，接收器接收角为 β。当物体表面在垂直方向上发生高度变化 Δh 时，光斑在传感器上的位置会移动 Δx。则高度变化 Δh 可以近似通过以下公式计算（在小角度近似下）：Δh ≈ Δx / (sin(β) + cos(β) * tan(α))

核心性能参数的典型范围：* 精度：通常可达到微米级，例如±0.05 µm至±几微米。* 分辨率：亚微米至微米级别。* 响应时间/采样频率：非常快，可达数千到数万赫兹，线激光扫描仪甚至能达到每秒数万个轮廓。* 光斑尺寸：通常在几十微米到几百微米。

技术方案的优缺点：* 优点：测量速度快，适用于在线高速检测；非接触测量，不会损伤显示屏表面；成本相对较低。* 缺点：受限于被测物体的表面特性，例如对于镜面或高反射表面（如抛光的显示屏玻璃），激光容易发生镜面反射，导致接收到的信号强度不足或测量误差；对于透明材料（如显示屏的多层玻璃），穿透现象可能导致测量不准确；测量倾角能力有限，通常在±20°到±30°之间。

• b. 光谱共焦测量技术

想象一下，你有一束包含各种颜色（波长）的光线，就像彩虹一样。光谱共焦技术就是把这些不同颜色的光线，通过一个特殊的镜头，让它们在空间中聚焦在不同的深度上。红色光聚焦在近处，蓝色光聚焦在远处，中间的光线则聚焦在中间的各个位置。当被测显示屏表面刚好位于某个颜色光的焦点上时，这束光线就会被强烈反射回来，并被传感器识别出来。通过分析反射光线的颜色，就能知道显示屏表面到底在哪个深度，从而精确测量出距离。

工作原理和物理基础：光谱共焦传感器利用宽带光源（通常是白光或彩色激光）发出的光，通过色差透镜进行色散，使不同波长的光在光轴上具有不同的焦点位置。这意味着，红光可能聚焦在距离探头A毫米处，绿光聚焦在B毫米处，蓝光聚焦在C毫米处。当被测显示屏表面处于某个焦点位置时，只有对应波长的光线能高效反射回传感器内部的共聚焦针孔（或狭缝），并被光谱仪检测。光谱仪通过分析反射光的强度峰值所对应的波长，就能精确反推出被测表面与传感器之间的距离。由于每个波长都对应一个唯一的焦距，因此可以实现对物体表面高度的精确测量。

其核心公式涉及到色差透镜的光学特性，可以理解为：Z = f(λ)其中，Z 是测量距离（深度），λ 是反射光波长。f 代表了色差透镜将不同波长光聚焦到不同距离的函数关系。

核心性能参数的典型范围：* 精度：高端型号精度可达±0.01μm，通常在±0.01%F.S.（满量程）到±几微米。* 分辨率：最高可达纳米级别。* 采样频率：最高可达数十kHz。* 光斑尺寸：最小可达微米级别。* 最大可测倾角：部分型号可达±45°甚至更高。* 厚度测量能力：可测量透明材料厚度，无需已知折射率。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高分辨率：纳米级的测量分辨率使其非常适合对显示屏平面度要求极高的应用。 * 多材质适应性：能够稳定测量金属、陶瓷、玻璃、镜面等各种材质，对于显示屏中常见的玻璃和镜面材质表现尤为出色。 * 多层测量能力：单次测量可识别并测量透明材料的多个表面，如显示屏玻璃的上下表面厚度，无需已知材料折射率即可直接测厚。这是其在显示屏厚度测量方面的一大优势。 * 抗倾斜能力强：即使显示屏表面存在一定倾斜角，也能进行稳定测量。 * 小光斑尺寸：微米级的光斑尺寸确保了对微小特征和边缘的精准捕捉，减少了“光斑平均效应”带来的误差。 * 抗环境光干扰：由于其光谱滤波原理，对环境光的干扰不敏感。 * 紧凑且灵活：探头尺寸小巧，便于集成到各种自动化设备中，并提供多角度探头以适应复杂结构测量。* 缺点： * 测量速度相较于线激光扫描仪略慢。 * 设备成本相对较高。 * 量程通常小于激光三角测量。

• c. 3D结构光测量技术

想象一下，你用投影仪在显示屏表面投射出一些条纹图案，就像斑马线一样。如果显示屏表面是完全平坦的，这些条纹看起来会很规则。但如果表面有高低起伏，这些条纹就会发生弯曲和变形。3D结构光测量就是通过捕捉这些变形的条纹图案，来计算出显示屏表面的三维形状。

工作原理和物理基础：3D结构光测量系统通常包含一个高精度投影仪和至少一个（或两个）高分辨率相机。投影仪向被测显示屏表面投射一系列已知的、精密的图案，通常是编码的条纹图案。当这些结构光图案投射到具有三维形貌的物体表面时，会因为物体表面的高度变化而发生畸变。一个或多个相机从不同角度同步捕捉这些发生畸变的图案图像。通过分析这些图像中条纹的变形程度和位置，结合投影几何原理和三角测量算法，系统可以精确计算出物体表面上每个点的三维坐标，从而构建出高密度的三维点云数据。

核心性能参数的典型范围：* 测量精度：可达微米级甚至更高。* 点间距：最高可达微米级。* 测量速度：可在数秒内获取数百万甚至上千万个测量点，实现全场快速测量。* 测量面积：可覆盖较大尺寸的显示屏。

技术方案的优缺点：* 优点：测量范围广，能够快速获取整个显示屏表面的高密度三维数据；非接触测量，不会损伤物体；适用于复杂形貌的测量。* 缺点：对环境光敏感，通常需要在较暗的环境下进行；对于高反光或透明表面（如镜面显示屏），可能会出现测量困难或数据缺失；系统成本相对较高。

• d. 白光干涉测量技术

想象一下，你有一束普通的白光，把它分成两束。一束光照向显示屏表面，另一束光照向一个非常平整的参考镜。这两束光反射回来后再次相遇。如果它们走的“路程”长度不一样，就会像水波纹一样产生干涉条纹，条纹的亮暗变化就反映了路程的差异。白光干涉技术就是通过测量这些干涉条纹的特征，来精确计算显示屏表面的微观高低起伏。

工作原理和物理基础：白光干涉测量系统利用宽带光源（白光），通过一个分光镜将光束分成两部分：一部分作为测量光照射到被测显示屏表面，另一部分作为参考光照射到系统内部的参考镜。两束光反射回来后，在探测器处会再次汇合，并发生干涉。由于白光光源的相干长度极短，只有当测量光和参考光的光程差非常接近零时，才能产生清晰的彩色干涉条纹。系统通过压电陶瓷（PZT）等精密位移机构对参考镜或探头进行垂直扫描，在扫描过程中，当某一表面点对应的光程差接近零时，就会在该点产生强度最大的干涉条纹。通过追踪这些干涉条纹的亮暗变化和位置，就可以在亚纳米级别精度上确定被测表面各点的高度信息。

核心原理基于迈克尔逊干涉仪，其光程差 ΔL 与干涉条纹强度 I 的关系为：I(z) = I0 * (1 + V(z) * cos(2π * ΔL(z) / λ_avg))其中 z 是扫描位置，I0 是背景光强，V(z) 是可见度函数，λ_avg 是白光的平均波长。通过寻找 V(z) 的最大值或干涉条纹的中心位置来确定精确的高度。

核心性能参数的典型范围：* 垂直分辨率：通常可达亚纳米级（0.1nm以下），是目前分辨率最高的测量技术之一。* 测量范围：垂直测量范围相对较小，通常在几百微米到几毫米，但水平测量范围可达数十毫米。* 表面粗糙度：可测量Ra 0.001µm甚至更低的超光滑表面。

技术方案的优缺点：* 优点：具有极高的垂直分辨率和测量精度，能够进行亚纳米级的表面形貌测量，是研究级和实验室高精度测量的理想选择；非接触测量，不会损伤表面；能够测量微观平面度、粗糙度和波纹度。* 缺点：测量速度相对较慢，不适合高速在线检测；对环境振动和温度变化敏感，通常需要在受控环境下进行；对于大倾角表面测量困难；设备成本非常高昂。

（2）、市场主流品牌/产品对比

结合以上技术方案，以下是一些在显示屏平面度测量领域具有代表性的主流国际品牌及其解决方案，它们都采用了不同的高精度非接触测量技术：

1. 日本基恩士：

   • 采用技术：3D激光轮廓测量（线扫描三角测量）。

   • 核心参数：Z轴重复精度可达±0.05 µm；高精度模式采样周期1ms；数据处理速度高达64000点/线。

   • 应用特点与优势：日本基恩士的激光测量产品以其卓越的速度和精度闻名。它能快速扫描显示屏表面，获取完整的3D轮廓数据，非常适合生产线上的高速、全尺寸平面度、翘曲度检测，尤其在应对批量生产的效率要求时表现出色。

2. 德国微米塔：

   • 采用技术：光谱共聚焦测量。

   • 核心参数：测量范围例如从0.1mm到27mm；分辨率高达0.0025% FSO；测量速率最高达70kHz。

   • 应用特点与优势：德国微米塔在精密传感器领域处于领先地位，其光谱共焦传感器在测量精度和分辨率上表现优异。它特别适合测量透明材料如玻璃显示屏的厚度及多层界面的平面度。其非接触、高精度和较快的测量速度使其成为高质量在线检测的理想选择。

3. 美国康耐视：

   • 采用技术：3D激光位移传感器（线扫描三角测量）。

   • 核心参数：测量速度最高可达20000个3D轮廓/秒；Z轴重复精度可低至µm级别。

   • 应用特点与优势：美国康耐视是机器视觉领域的全球领导者。其3D激光传感器结合强大的3D图像处理算法，能够高速、高精度地检测显示屏表面的微小平面度缺陷、翘曲度和划痕。其系统集成度高，软件功能强大，非常适合高吞吐量的自动化检测。

4. 瑞典海克斯康：

   • 采用技术：3D结构光测量。

   • 核心参数：测量精度最高可达微米级；点间距可达微米级；可在数秒内获取数百万个测量点。

   • 应用特点与优势：瑞典海克斯康旗下的GOM在光学三维测量方面技术领先。其结构光系统提供全场、非接触、高分辨率的三维扫描，可快速获取显示屏的完整表面形貌数据。这对于需要全面分析较大尺寸显示屏的平面度、翘曲度及表面缺陷的场景非常适用，且支持自动化集成。

5. 英国真尚有：

   • 采用技术：光谱共焦测量。

   • 核心参数：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.，特定型号精度可达±0.01μm；最小光斑尺寸可达2μm，标准型号可测倾角达±20°，特殊设计型号可达±45°；最小可测厚度5μm。

   • 应用特点与优势：英国真尚有的光谱共焦位移传感器，采用彩色激光光源，光强稳定性高，提供多种测量模式和数据处理功能，可实现位移、测厚、段差、平面度等多种测量，适用于多种材质和复杂形状的测量，可选配镜头以实时观测测量光斑位置。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在选择适合显示屏边缘平面度测量的高精度传感器时，我们需要像挑选手术刀一样精细，每个参数都决定了测量能否满足±1μm的可靠性要求。

1. 精度 (Accuracy) 与重复性 (Repeatability)：

   • 实际意义：精度指的是测量值与真实值之间的接近程度，而重复性是指在相同条件下多次测量同一位置时，结果的一致性。±1μm的可靠性要求，直接决定了传感器必须具备优于这个值的精度和重复性。如果一个传感器宣称精度±0.01%F.S.，你需要结合其量程来计算实际的绝对精度。比如，量程1mm（1000μm）的传感器，±0.01%F.S.意味着精度为±0.1μm，这就能满足±1μm的要求。

   • 影响：低精度和差的重复性会导致测量结果波动大，无法真实反映显示屏的平面度状况，可能导致合格品被误判为不合格，或不合格品流入市场。

   • 选型建议：对于±1μm的可靠性要求，应选择精度至少达到±0.5μm，最好是±0.1μm量级的传感器。例如，光谱共焦测量技术可以实现更高的精度。在测试时，务必在实际测量环境中验证其重复性。

2. 分辨率 (Resolution)：

   • 实际意义：分辨率是传感器能够检测到的最小高度变化量。你可以把它看作是“最小刻度”。如果要求±1μm的可靠性，那么传感器的分辨率至少要达到微米级以下，例如纳米级（1nm-100nm）。

   • 影响：分辨率不足意味着微小的平面度变化无法被传感器捕捉到，导致“盲区”或测量结果不敏感。

   • 选型建议：选择具有纳米级分辨率的传感器，这能确保即使是极其微小的平面度波动也能被有效检测。

3. 光斑尺寸 (Spot Size)：

   • 实际意义：光斑尺寸是传感器发射出的测量光束打在物体表面上的大小。对于显示屏边缘的测量，边缘可能存在倒角、R角等复杂形貌。

   • 影响：光斑过大，在测量微小特征或陡峭边缘时，光斑会覆盖到边缘内外不同的高度区域，导致测量结果是多个高度点的平均值，无法准确反映边缘的真实高度和平面度，出现所谓的“光斑平均效应”。这就像你用一个大刷子去画一条细线，肯定画不准。

   • 选型建议：选择光斑尺寸尽可能小的传感器，尤其是测量显示屏边缘等微小区域时，小光斑能更精准地捕捉局部形貌，减少误差。

4. 测量速度/采样频率 (Sampling Frequency)：

   • 实际意义：测量速度指的是传感器每秒能够采集多少个数据点。在工业自动化中，显示屏的生产节拍通常很快。

   • 影响：测量速度慢会拖慢整个检测流程，降低生产效率，不适用于在线检测。

   • 选型建议：对于在线检测，建议选择采样频率高的传感器，确保在高速运动中也能获取足够密度的测量数据。

5. 多材质适应性与多层测量能力：

   • 实际意义：显示屏通常由玻璃、光学膜等多种透明或半透明材质组成。

   • 影响：有些传感器对透明材质、镜面材质或多层结构无能为力，容易产生穿透、鬼影或无法识别层间距的问题。

   • 选型建议：优先选择对多种材质（尤其是玻璃、镜面）具有良好适应性，并支持多层测量能力的传感器。光谱共焦测量技术在此方面有显著优势，可以在不需已知折射率的情况下直接测量透明材料厚度。

6. 最大可测倾角 (Maximum Measurable Tilt Angle)：

   • 实际意义：显示屏边缘可能存在轻微的翘曲或倾斜。最大可测倾角是指传感器能容忍的被测表面与传感器光轴之间的最大夹角，并在此角度下仍能进行有效测量。

   • 影响：如果倾角超出传感器能力范围，将无法获取有效数据，导致测量中断或产生错误结果。

   • 选型建议：考虑显示屏边缘可能存在的最大倾斜，选择能覆盖该倾角范围的传感器。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，即使选择了最合适的传感器，也可能遇到一些挑战，影响±1μm数据可靠性。

1. 问题：环境振动和温度变化

   • 原因与影响：高精度测量对环境非常敏感。生产线上的机器振动、空调或通风系统引起的空气扰动、以及环境温度的微小波动都可能导致测量探头与被测显示屏之间的相对位置发生变化，或者光学元件发生热膨胀，进而引入测量误差，使数据跳动，难以达到±1μm的可靠性。

   • 解决建议：

     • 振动隔离：在测量工位下方安装主动或被动式减振平台，或采用气浮隔振台，将传感器和被测物与外界振动源隔离。

     • 温度控制：将测量区域设置在恒温恒湿的环境中。如果无法实现，选择对温度漂移有补偿功能的传感器，并定期进行校准。

     • 结构刚性：确保传感器安装支架和夹具具有足够的刚性，减少自身振动。

2. 问题：显示屏表面反光或透明特性

   • 原因与影响：显示屏的玻璃表面通常非常光滑，容易产生镜面反射；同时，它又是透明的，容易发生光线穿透。这对于某些基于三角测量原理的传感器是巨大挑战，可能导致测量信号弱、光斑分散、鬼影或无法稳定锁定表面。

   • 解决建议：

     • 选择合适原理的传感器：光谱共焦传感器对镜面和透明材料具有天然优势，是此类应用的首选。它通过光谱分析，而非单纯的光斑位置，因此受反光和穿透影响较小，甚至能测量多层透明材料。

     • 调整测量角度：对于部分激光传感器，可以尝试调整激光入射角度和接收角度，以避开强镜面反射区域，增加漫反射信号的捕获。但对于高精度平面度测量，这种调整空间有限。

     • 表面处理（研发阶段）：在研发或原型阶段，可考虑在不影响产品功能的前提下，对测量区域进行临时性哑光处理，但这对生产线产品通常不适用。

3. 问题：显示屏边缘的复杂几何形状

   • 原因与影响：显示屏边缘可能存在R角（圆角）、倒角、台阶甚至微小的裂纹或崩边。这些复杂、陡峭的几何特征使得常规尺寸光斑的传感器难以精准测量，可能导致光斑部分落在倾斜面上，部分落在平坦面上，从而获取到错误的平均高度数据。

   • 解决建议：

     • 小光斑传感器：选择光斑尺寸极小的传感器，以确保光斑能够精准地落在边缘的特定测量点上，避免平均效应。

     • 高倾角测量能力：选择最大可测倾角大的传感器，即使边缘有较大翘曲，也能稳定测量。

     • 多角度测量：如果必要，可以考虑在关键边缘区域部署多个传感器，从不同角度进行测量，或者使用带90度出光探头的传感器来测量侧壁信息。

     • 优化扫描路径：精确规划测量设备的运动轨迹，确保光斑始终垂直于或以最佳角度对准被测表面。

4. 问题：数据处理与分析的挑战

   • 原因与影响：即使传感器数据精度很高，如果数据受到噪声干扰，或者处理算法不当，最终的平面度计算结果也可能不可靠。例如，环境光变化、材料表面微观缺陷都可能引入噪声。

   • 解决建议：

     • 传感器内置滤波：选择带有内置滤波功能（如高斯滤波、中值滤波、滑动平均）的传感器或控制系统，能在硬件层面初步去除噪声。

     • 数据后处理：在上位机软件中应用更复杂的信号处理算法，如高斯滤波、小波变换等，进一步平滑数据，提取真实形貌信息。

     • 校准与验证：定期使用标准量块或经过认证的参考平面进行校准，并与更高级别的计量设备（如三坐标测量机）进行比对验证，确保数据的准确性和可靠性。

     • 可视化分析：利用可视化软件功能，实时查看测量光斑位置和数据曲线，及时发现异常。

4. 应用案例分享

• 手机显示屏玻璃盖板平面度检测：在手机玻璃盖板生产线上，利用光谱共焦传感器对高速流动的玻璃盖板进行全尺寸平面度扫描，确保盖板的表面平整度符合装配要求，防止因翘曲导致的显示不良。

• OLED面板薄膜封装厚度及平整度测量：在OLED面板制造过程中，对超薄的封装膜进行厚度一致性和表面平整度检测，避免膜层不均影响显示效果，确保±1μm的厚度控制。英国真尚有的光谱共焦传感器，凭借其多层测量能力和无需已知折射率即可测量的特性，能在此类应用中发挥优势。

• 车载显示屏边缘段差测量：车载显示屏通常尺寸较大且可能具有曲面，使用小光斑、高精度光谱共焦传感器对多层材料边缘的台阶高度（段差）进行精确测量，以保证组装公差和视觉效果。

• AR/VR眼镜镜片微纳结构平面度检测：AR/VR设备对光学元件的精度要求极高，利用白光干涉仪或高精度光谱共焦传感器对镜片表面的微纳结构和整体平面度进行亚纳米级测量，确保成像质量和佩戴舒适度。