智能设备高透明玻璃屏幕如何实现±0.5μm级的在线厚度与TTV检测？【非接触测量】

1. 基于高透明玻璃屏幕的基本结构与技术要求

高透明玻璃屏幕，比如智能手机、平板电脑或车载显示屏上用的盖板玻璃，其实并不是一块简单的玻璃，它通常是由多层材料“叠罗汉”般精密堆叠而成的。最外面是高强度的盖板玻璃，下面可能依次是光学胶、触控层（ITO膜）、显示面板玻璃等。

对高透明玻璃屏幕进行厚度检测，关键在于两个方面：

• 尺寸精度：这就像量身定做一件衣服，每个部位的尺寸都必须精准。对玻璃屏幕来说，整体厚度、局部厚度变化（如TTV）都需要控制在微米甚至亚微米级别。比如，我们提出的目标是达到±0.5μm的精度，这意味着玻璃的实际厚度不能偏离设计值超过0.5微米，这比一根头发丝（约50-70微米）的宽度还要精细上百倍。这种精度要求是为了保证屏幕的整体平整度、光学性能和装配时的严丝合缝，避免出现画面失真、触控不灵敏或装配应力等问题。

• 在线检测能力：在生产线上，玻璃屏幕像流水一样快速移动，我们不能等它停下来、冷却了再慢慢测量，那样效率太低。所以，需要在玻璃高速运动的过程中，非接触地、实时地完成测量，并且测量结果能够立即反馈给生产线，以便及时调整工艺参数，确保每一块产品都符合要求。这就像汽车生产线上的一个高速检测站，车子开过去，几秒钟内就能检查完各项指标。

2. 针对高透明玻璃屏幕的相关技术标准简介

为了确保玻璃屏幕的质量和性能一致性，行业内会参照一系列技术标准来定义和评价其关键参数。这些标准就像是“质量合格证”的考核细则，其中涉及厚度测量的重要参数主要包括：

• 绝对厚度 (Absolute Thickness)：指玻璃在某一点的实际厚度。这是最基本的参数，就像测量一张纸的实际厚度。它直接关系到产品的结构强度和外观尺寸。

• 总厚度变化 (Total Thickness Variation, TTV)：这是衡量玻璃整体平整度的重要指标，指的是在整个玻璃表面上，最大厚度值与最小厚度值之差。想象一下，如果把玻璃屏幕看作一个平面，TTV就是这个“平面”在垂直方向上的最大起伏。TTV过大会导致屏幕在装配时受力不均，或者影响显示效果。

• 局部厚度波动 (Local Thickness Variation, LTV/LTW)：与TTV关注整体不同，LTV/LTW衡量的是局部区域内的厚度变化，通常是在一个较小的特定区域内，取最大厚度值和最小厚度值之差。它能反映出玻璃表面是否存在一些微小的凹凸不平，比如像波浪一样的起伏，这些缺陷可能会影响光学均匀性或导致触控偏差。

• 平面度 (Flatness)：平面度描述的是玻璃表面与一个理想平面的贴合程度。如果玻璃表面像一块稍微有点弯曲的板子，它的平面度就不够好。在显示屏应用中，良好的平面度是保证图像清晰、无畸形的关键。

• 平行度 (Parallelism)：指玻璃的上下两个表面互相平行的程度。如果两个表面不是严格平行，那么玻璃的厚度就会从一端到另一端逐渐变化，这会影响光线通过时的折射效果，可能导致画面失真。

这些参数的检测和评价方法都有明确的规定，目的是为了实现产品质量的标准化和可追溯性，确保每一块出厂的玻璃屏幕都能满足严苛的应用需求。

3. 实时监测/检测技术方法

实现高透明玻璃屏幕±0.5μm精度的在线厚度检测，需要依赖先进的非接触式测量技术。市面上主要有几种主流技术方案，它们各有千秋，就像不同的侦探工具有不同的破案方式。

3.1 市面上各种相关技术方案

光谱共焦测量技术

想象一下，你有一束包含各种颜色（波长）的白光，通过一个特殊的透镜后，不同的颜色会被聚焦到不同的深度。就像彩虹一样，红光可能聚焦在远一点的位置，蓝光聚焦在近一点的位置。这就是光谱共焦技术的核心原理——利用色散（或称色差）效应。

当这束“彩虹光”照射到高透明玻璃屏幕上时，一部分光会从玻璃的上表面反射回来，另一部分光会穿透玻璃，再从玻璃的下表面反射回来。传感器会精确地捕捉到这两部分反射光。由于不同波长的光在透镜后有不同的焦点位置，当某个波长的光正好聚焦在玻璃表面并反射回来时，其光信号强度就会达到最大。

光谱共焦传感器通过分析反射光的光谱（也就是哪个波长的光反射强度最高），就能确定玻璃上、下表面的精确位置。举个例子，如果红光聚焦在上表面，蓝光聚焦在下表面，传感器就能根据“看到”的红光和蓝光强度峰值来判断这两个表面的距离。

其测量原理涉及到光程差和波长聚焦的对应关系。对于透明材料的厚度测量，传感器会识别两个反射峰值对应的波长（或焦点位置）Z1和Z2。玻璃的实际厚度 d 可以通过以下公式计算：

d = (Z_surface2 - Z_surface1) / n_eff

其中，Z_surface1 和 Z_surface2 分别是玻璃上、下表面的聚焦位置（在空气中的距离表示），n_eff 是玻璃的有效折射率。值得一提的是，一些先进的光谱共焦系统能够无需预先知道材料的精确折射率就能直接测量厚度。这是因为系统在测量时实际上是分别测量了两个表面在空气中的虚拟位置，然后通过系统内部对光在介质中传播特性（包括介质本身的色散特性）的补偿和计算，直接得出物理厚度。它通过识别材料内部界面反射回来的“色谱指纹”，从而推断出其厚度。

核心性能参数的典型范围：

• 分辨率：通常能达到纳米级别（0.001 μm）。

• 精度：在微米甚至亚微米级别（±0.1 μm到±0.5 μm）。

• 采样速率：从几千赫兹到上万赫兹不等，满足在线高速检测需求。

• 光斑尺寸：最小可达几微米，确保精细测绘。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 高精度：由于其光学原理，能够实现极高的垂直测量精度。

  • 非接触：避免对玻璃表面造成损伤或污染。

  • 透明材料测量能力强：特别适合测量玻璃、薄膜等透明或半透明材料的厚度，可以一次性测量多个层。

  • 无需固定折射率：某些先进系统可以直接测量厚度而无需精确输入折射率。

  • 对倾斜表面有一定适应性：能在一定倾角下稳定测量。

• 缺点：

  • 成本较高：相较于一些入门级传感器，光谱共焦系统通常投资成本更高。

  • 对环境要求较高：对灰尘、振动、温度变化比较敏感，需要一定的环境控制。

  • 测量范围相对较小：单次测量的垂直量程通常在毫米到厘米级别。

激光三角测量技术

想象一下，你用激光笔在墙上打了一个点，然后你从旁边另一个角度观察这个点。如果你移动激光笔或墙壁，你观察到的点的位置也会相应移动。激光三角测量就是利用这个“角度变化”来计算距离。

它通过一个发射器向被测玻璃表面发射一束激光，激光点在表面形成一个光斑。反射回来的光斑会被一个接收透镜收集，并聚焦到一个位置敏感探测器（如PSD或CMOS传感器）上。当玻璃表面与传感器之间的距离发生变化时，反射光斑在探测器上的位置也会随之移动。传感器通过测量这个位置变化，并利用简单的三角几何关系，就能计算出距离。

要测量玻璃的厚度，通常需要两个激光三角测量传感器，它们“面对面”地放置在玻璃的上下两侧。一个传感器测量到玻璃上表面的距离 D1，另一个传感器测量到玻璃下表面的距离 D2。那么玻璃的厚度 t 就是 t = |D_total - D1 - D2|，其中 D_total 是两个传感器之间的总距离。

核心性能参数的典型范围：

• 分辨率：通常在微米到亚微米级别（0.005 μm到几微米）。

• 精度：一般在千分之几的量程范围内，例如±0.03% F.S.。

• 采样速率：可达上万甚至几十万赫兹。

• 测量范围：从几毫米到几十毫米不等。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 测量速度快：非常适合高速在线检测。

  • 成本相对较低：相较于光谱共焦或干涉仪，设备成本更具优势。

  • 安装和使用相对简单：易于集成到自动化生产线。

  • 对漫反射表面适应性好：适用于多种材料。

• 缺点：

  • 对透明材料测量能力有限：当激光束穿透透明玻璃时，会产生多个反射光斑（来自上表面和下表面），探测器难以准确区分并识别主反射点，可能导致测量不稳定或不准确。通常需要两个传感器对射测量，且对准要求高。

  • 容易受表面纹理、颜色影响：不同的表面特性可能影响光斑的形成和检测。

  • 对倾斜角度敏感：当被测表面倾斜较大时，反射光可能无法准确返回接收器。

白光干涉测量技术

想象一下，你往水池里扔两块石头，它们激起的波纹会互相叠加、抵消，形成复杂的图案，这就是干涉现象。白光干涉测量正是利用了这种光的“波纹叠加”原理来测量距离。

它使用一个宽谱白光光源，将光束分成两部分：一部分射向被测玻璃表面，另一部分射向一个已知距离的参考镜。这两部分光反射回来后会再次汇合。如果这两束光走过的“路程”相差不大，并且光波的“步调”一致，它们就会发生干涉，形成明暗相间的条纹。当系统垂直扫描Z轴时，只有当被测物表面与参考镜的光程差为零或特定倍数时，才会产生高对比度干涉条纹。

通过精确分析这些干涉条纹的特征，特别是当条纹对比度最高时对应的位置，传感器就能以极高的精度确定玻璃上、下表面的位置。结合玻璃的折射率，就可以计算出其厚度。

d = m * λ_center / (2 * n_eff)其中 m 是干涉条纹的级数，λ_center 是白光干涉仪中心波长，n_eff 是有效折射率。

核心性能参数的典型范围：

• 分辨率：可以达到纳米甚至亚纳米级别（0.1 nm以下）。

• 精度/重复性：通常在纳米级别（小于0.1 nm）。

• 测量范围：从亚微米到毫米级别。

• 横向分辨率：取决于物镜，可以非常精细（亚微米）。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 极高精度：是目前非接触测量中精度最高的几种技术之一，能达到纳米级。

  • 适用于复杂表面和薄膜：对于极薄的膜层或多层结构具有出色的测量能力。

  • 非接触无损。

• 缺点：

  • 测量速度相对较慢：通常需要Z轴扫描，不适合超高速在线检测。

  • 对环境要求极高：对振动、温度、气流变化非常敏感，需要严格控制的测量环境。

  • 设备成本非常昂贵：主要用于实验室、研发和高精尖领域的检测。

  • 视野和测量范围有限。

蓝色激光轮廓扫描技术

想象一下，你不是用一个点来测量，而是用一条细长的蓝色激光线来“扫视”玻璃表面。这条线激光就像一个“探照灯”，瞬间照亮玻璃的一小段区域。

当蓝色激光线束投射到玻璃表面时，它会在玻璃的上下表面形成两条反射光线轮廓。由于蓝色激光波长较短，它在透明材料中具有较好的穿透性和界面识别能力，能够更清晰地捕捉到玻璃的两个表面信息。高速相机则会捕获这些反射光线的二维图像。

通过对捕获图像进行处理，利用三角测量原理和特殊的图像处理算法，系统能够同时识别并计算出玻璃上、下表面每一点的三维位置。通过这些点的位置数据，就可以构建出玻璃的表面轮廓，并计算出沿激光线方向的厚度分布。这种方式可以实现对整条线上的厚度进行连续测量。

核心性能参数的典型范围：

• Z轴重复性：可达亚微米到微米级别（例如0.5 μm）。

• X轴（横向）分辨率：通常在几十微米级别。

• 扫描速率：每秒可获取数千个轮廓，非常适合在线高速检测。

• 测量范围（Z轴）：几毫米到几十毫米。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 高速在线测量：能够快速获取大量的点云数据，实现全3D测量。

  • 适用于透明和多层材料：蓝色激光对透明材料的穿透性和界面识别能力较好。

  • 集成度高：很多产品集成了测量、分析和控制功能，易于集成到自动化生产线。

  • 对表面颜色和光洁度有一定适应性。

• 缺点：

  • 精度相对于点式光谱共焦或白光干涉仪略低：主要在横向分辨率上有所牺牲，难以达到纳米级。

  • 数据量大：需要较强的处理能力和算法支持。

  • 对环境光线有一定要求：强烈的环境光可能干扰测量。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在精密测量领域具有代表性的品牌，看看它们是如何解决玻璃屏幕厚度在线检测的难题的。

• 德国微普龙

  • 采用技术：光谱共焦测量技术。德国微普龙是该领域的先行者，其产品以高精度、高速度和稳定性著称。

  • 核心性能参数：测量范围1毫米，分辨率可达5纳米，线性度可达±0.3 µm，采样速率最高可达70 kHz。这意味着它可以在非常短的时间内，对玻璃厚度进行极高精度的测量。

  • 应用特点和独特优势：能够稳定测量多种材质，特别是对高透明玻璃、多层结构材料的厚度测量有显著优势，且测量结果受表面粗糙度和颜色影响较小。其高速度使其非常适合集成到高速生产线上进行在线质量控制。

• 英国太赫兹视图

  • 采用技术：太赫兹时域光谱 (TDS) 技术。这是一种相对新颖的技术，利用太赫兹波段的电磁波进行测量。

  • 核心性能参数：测量厚度范围从数十微米到毫米级别，测量分辨率通常可达微米级别。由于太赫兹波具有较强的穿透性，特别适用于多层材料内部的无损测量。

  • 应用特点和独特优势：太赫兹技术能够穿透非导电材料，包括不透明层下的透明层，这对于一些复杂复合材料的检测具有独特优势。它不仅能测量厚度，还能提供材料的某些介电特性信息。然而，其测量速度和精度在某些单一厚度检测场景下可能不如专用的光学点式传感器。

• 日本基恩士

  • 采用技术：激光三角测量技术（通常需配合对向测量）。日本基恩士在全球自动化和检测领域拥有广泛影响力，其传感器产品线非常丰富。

  • 核心性能参数：测量范围通常在±7.5毫米，分辨率可达5纳米，线性度可达±0.03% F.S.，采样速率最高可达 196 kHz。其高速特性在很多在线检测场景中非常受欢迎。

  • 应用特点和独特优势：测量速度极快，易于集成到各种自动化产线。对于高透明玻璃的厚度测量，通常需要配置两台传感器进行对射测量，通过计算上下表面距离差来获得厚度。这要求较高的安装精度和校准水平。

• 加拿大LMI技术

  • 采用技术：蓝色激光轮廓扫描技术。加拿大LMI是智能3D传感器领域的领导者，其产品集成了3D测量、检测和控制功能。

  • 核心性能参数：测量范围（Z轴）2毫米，Z轴重复性可达0.5 µm，X轴分辨率16 µm，扫描速率最高可达5 kHz（每秒5000个轮廓）。

  • 应用特点和独特优势：能够高速在线获取玻璃屏幕的完整3D轮廓数据，不仅能测量厚度，还能评估平面度、翘曲度等多个参数。蓝色激光对透明材料具有较好的穿透性和界面识别能力，特别适合对整个玻璃表面进行快速全检，而不是仅仅测量单个点。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的检测设备，就像为一项特殊任务挑选最趁手的工具，需要综合考虑任务的难度、速度和预算。

1. 测量精度和重复性：

   • 实际意义：精度是测量结果与真实值接近的程度，重复性是多次测量同一位置结果的一致性。比如，目标是±0.5μm的精度，那么选择的传感器标称精度至少要达到这个要求，甚至留有余量。重复性则保证了产品批次之间测量结果的可靠性。

   • 选型建议：对于高透明玻璃屏幕±0.5μm的在线检测，光谱共焦传感器或白光干涉仪（如果速度要求不高）是首选。激光三角测量在对射配置下也能达到较高精度，但对安装和校准要求更高。

2. 分辨率：

   • 实际意义：传感器能识别的最小测量单位。分辨率越高，传感器捕捉微小变化的能力就越强。

   • 选型建议：分辨率应远高于所需的测量精度。例如，对于±0.5μm的精度目标，选择分辨率为纳米级别的传感器，能够确保测量数据的精细度。

3. 采样频率/扫描速率：

   • 实际意义：传感器每秒能进行多少次测量。这是决定在线检测速度的关键指标。采样频率越高，生产线运行速度越快，或者在相同速度下能获取更密集的测量点，从而提供更全面的数据。

   • 选型建议：根据生产线的实际节拍和玻璃的运行速度来选择。

4. 测量范围 (量程)：

   • 实际意义：传感器能够测量的最大高度或厚度范围。如果玻璃屏幕的总厚度变化大，就需要一个足够大的量程来覆盖所有可能的值。

   • 选型建议：确保传感器的量程能够完全覆盖被测玻璃的最小到最大厚度范围，并预留一定的裕量。

5. 光斑尺寸：

   • 实际意义：激光或光束在玻璃表面形成的测量点的大小。光斑尺寸越小，能测量的细节越精细，对于小尺寸缺陷或窄缝的测量至关重要。

   • 选型建议：针对玻璃屏幕的特点，如果需要检测局部微小区域的厚度均匀性，应选择光斑尺寸小的传感器，以提高空间分辨率。

6. 多材质适应性和多层测量能力：

   • 实际意义：玻璃屏幕通常是多层结构，传感器能否穿透表层，识别内部界面并测量多层厚度至关重要。

   • 选型建议：光谱共焦传感器在这方面表现突出，能够一次性测量多个透明介质层厚度，且对不同材质的表面反射特性适应性强。英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，单次测量最多可识别5层不同介质，适用于复合材料分析。

7. 抗倾角能力：

   • 实际意义：被测玻璃在生产线上可能会有轻微的倾斜或晃动，传感器能否在一定倾角下保持稳定测量。

   • 选型建议：选择具有较大最大可测倾角的传感器，以应对生产线上的不确定性，减少误报或漏报。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在线检测并非一劳永逸，即使选择了最先进的设备，实际应用中也可能遇到一些“拦路虎”。

1. 表面污染或划痕：

   • 问题：玻璃表面哪怕是微小的灰尘颗粒、油污或细微划痕，都可能干扰光学传感器的光路，导致测量数据跳变或不准确。

   • 原因：生产环境不够洁净、人员操作不当或玻璃传输过程中的磨损。

   • 影响：产生大量误报，降低检测的可靠性，甚至影响后续工艺。

   • 解决建议：

     • 预防：在检测区域实施严格的洁净室标准（如万级甚至千级），配备高效空气过滤系统。操作人员需穿戴无尘服和手套。

     • 在线清洁：考虑在测量点前增加非接触式清洁装置，如离子风枪、高压空气吹扫或静电吸附装置，保持玻璃表面清洁。

     • 数据滤波：在传感器软件中开启高斯滤波、中值滤波等数据优化功能，可以有效平滑掉部分随机的尖峰噪声，但不能完全解决大面积污染问题。英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，内置高斯滤波、中值滤波、滑动平均、极值处理等数据优化功能。

2. 设备振动或玻璃晃动：

   • 问题：生产线上设备的轻微振动，或高速传输过程中玻璃的轻微晃动，都会导致测量点位置不稳定，进而引入测量误差，影响重复性。

   • 原因：产线机械结构稳定性不足、马达振动、气流扰动。

   • 影响：测量结果出现随机波动，无法达到目标精度，导致误判。

   • 解决建议：

     • 加固安装：将传感器安装在坚固、稳定的支架上，并与震源进行物理隔离，例如使用防振台或减震垫。

     • 优化传输：改善玻璃传输机构，确保玻璃在测量区域平稳、无晃动。可以考虑使用真空吸附或精密夹具固定。

     • 多点同步测量：采用多通道传感器进行多点同步测量，通过数据平均或相对测量来抵消部分整体晃动的影响。

3. 环境温度变化：

   • 问题：温度变化可能导致传感器自身的光学元件、机械结构产生微小形变，或者影响玻璃材料的折射率，进而影响测量精度。

   • 原因：生产车间温控不稳定，季节变化，设备自身发热。

   • 影响：导致测量结果出现系统性漂移。

   • 解决建议：

     • 温度控制：在测量区域保持恒定的环境温度。对于高精度要求，可将传感器安装在具有温控功能的保护罩内。

     • 定期校准：按照ISO 9001标准要求，定期使用标准块对传感器进行校准和线性度检查，并记录校准数据。

4. 材料折射率不均一：

   • 问题：部分玻璃产品可能存在材料成分或密度局部不均匀，导致折射率有细微变化，这会影响部分依赖折射率进行计算的厚度测量方法。

   • 原因：玻璃制造工艺批次差异。

   • 影响：引入系统性测量误差。

   • 解决建议：

     • 选择不依赖折射率的传感器：

     • 定期抽样检测并校准：如果传感器依赖折射率，则需定期对不同批次的玻璃材料进行折射率抽样检测，并更新传感器的折射率参数。

4. 应用案例分享

高精度玻璃屏幕厚度在线检测技术在多个行业中都有着举足轻重的应用，确保了各种精密产品的质量和性能。

• 3C电子产品制造：在智能手机、平板电脑的生产线上，用于检测盖板玻璃、摄像头镜片和显示屏的厚度及平整度。这保证了设备装配的精密性，以及显示效果和触控的灵敏度。英国真尚有的光谱共焦位移传感器，最小探头外径仅3.8mm，适合测量手机摄像头等小孔内部特征。

• 半导体晶圆制造：用于检测硅晶圆、玻璃晶圆的整体厚度、TTV和边缘厚度。精确的厚度控制对后续的刻蚀、沉积等工艺至关重要，直接影响芯片性能。

• 光学镜片与显示屏制造：在生产高精度光学镜片、车载显示屏、AR/VR设备镜片时，确保镜片厚度均匀、曲率精确。这对于保证成像质量和光学性能至关重要。

• 新能源电池制造：在锂电池生产中，用于检测隔离膜、涂覆层以及电池盖板的厚度一致性。这有助于提升电池的安全性、能量密度和循环寿命。