基于FPGA的液晶盒厚快速測量系統

陳洪財，張榮學，孫名偉

(1.韓山師范學院，廣東 潮州 521041;2.潮州市創佳電子有限公司，廣東 潮州 521000;3.汕頭市銳科電子有限公司，廣東 汕頭 515800)

0 引言

隨著液晶屏技術和工藝的不斷創新，液晶母版玻璃尺寸逐代增大，已經發展到2 880×3 080 mm，預計下一代的液晶屏還會繼續增大，給制造工藝提出了更高的要求。TFT－LCD液晶屏的制造過程是將兩片噴灑均勻墊料的母版玻璃貼合，兩玻璃間距只有3～5 μm，用于在真空狀態下填充液晶材料，液晶填充量會直接影響液晶屏的畫面質量，當填充量過大時畫面下側發黃或發白，填充量過小，也會使顯示畫面異常，一般工藝要求液晶填充量為理論值的1%以下。液晶填充量和液晶盒厚成正比例關系，同時和面內段差等因素有關。因此，要想提高成品的合格率，降低生產成本，必須對液晶盒厚實時檢測，得出具體參數，為液晶填充量提供參數依據。

兩塊母板玻璃形成的液晶盒可以描述為玻璃—空氣隙—玻璃，液晶盒厚就是測量兩塊玻璃之間的垂直距離，同時參考液晶母板上已有的ITO膜和PI膜參數，即可得出準確的液晶填充量。目前，液晶盒厚的測量工具是盒厚測量儀［1］。測量儀的原理是利用光干涉法、光譜掃描法或動量(入射角)掃描法。利用單層F－P腔的多光束干涉模型來計算盒厚，一般要進行取樣測量盒厚，測量過程費時并且準確率不高，同時脫離實際的生產環境。液晶盒厚快速測量系統是基于FPGA的實時測量系統，液晶盒成型后，在生產環節中直接測量液晶盒厚，液晶的填充量可以在測量數據得出后實時修改，經過使用和實驗驗證，測量效率提高20倍以上，相對標準差由盒厚測量儀的0.3%［2］提高到0.02%以上，測量效果和效率都得到有效提高。

1 測量系統光學原理

液晶空盒的母板玻璃規格一般約為1.5 mm，液晶空盒的盒厚約為3～5 μm，激光干涉法測量原理如圖1所示。激光入射到液晶空盒后經多次折射和反射形成多束平行反射光，透鏡匯聚反射光束，經光柵濾除雜光后形成焦點，焦點位于光電傳感器FDS02元件上。聚焦透鏡直徑約為2 cm，產生干涉條紋經光電傳感器轉換成電壓信號讀取，入射激光的入射角小范圍改變時，干涉條紋隨之移動，根據入射角與移動的條紋數計算出盒厚。由菲涅爾方程可以得到液晶盒厚h與入射角i、干涉條紋n的關系式為

式中:n是入射光線的入射角由in轉動到im+n時，在光電傳感器上掠過的干涉條紋數。用微型He－Ne器產生激光束照射時，λ=632.8 nm。需要注意的是液晶盒的上下兩端是厚度為1.5 mm左右的玻璃基片，玻璃內的反射光線也會產生干涉條紋，但由于液晶空盒盒厚約為3～5 μm，形成的干涉條紋寬度和強度有明顯的區別，利用算法可以很容易將玻璃的干涉條紋識別并濾除掉。

圖1 干涉法測量原理圖

2 測量系統組成

被測量的液晶空盒及所需的光學組件裝置如圖2所示。上下母板玻璃形成液晶空盒后，半圓形高精度量角儀放置在液晶玻璃母板上，在高精度量角儀圓周邊沿上附著可以移動的微型激光器，激光器和傾角傳感器固定在一起組成激光及入射角測量組件，沿圓周邊沿轉動激光組件，微型激光器發射的精細激光束應始終照射在量角儀圓心O點上。初始入射角度in約為15°，激光組件移動時，反射光線應始終照射在聚焦透鏡上，由于聚焦透鏡直徑有限，干涉條紋數量n不應設置太大，否則反射光線將不能落在聚焦透鏡上。

圖2 測量系統組成

2.1 傾角傳感器

加拿大MCS公司利用MEMS技術生產的SANG1000系列傳感器具有精度高、體積小、用途廣等特點，由于內部已經設計有高速數字處理器，傾角的角度值用數字形式輸出，并采用了光刻電阻技術來進行補償非線性誤差，在角度的全程測量范圍內保持著線性化，可重復精度為0.02°，測量精度為5″，其短期測量穩定性為0.02°/h。本文采用二進制格式碼發送，發送格式(單角度)為AA XX XX CC，AA是發送的角度字頭標識符，XX是帶符號的二進制數，CC是校驗碼，CC=數據字節1+數據字節2。

2.2 光電傳感器

光電傳感器采用聚焦鏡頭、光柵、光敏元件一體化設計，經過透鏡的匯聚光束經光柵濾除雜光后在光敏器件上形成聚焦圖像［3］，光敏器件FDS02將光電流經放大后輸出給A/D電路。A/D轉換電路以芯片ADC10065為核心，ADC10065有九級差分電路和+1.2 V精密基準電源［4］，10位數字輸出格式，本文采用偏移二進制碼格式輸出到FPGA芯片。

2.3 測量過程與方法

將測量裝置置于液晶盒的上玻璃基片上，首先用鍵盤設置需要測量的干涉條紋數n(n一般為10～15)，激光組件角度i由小逐漸增大，當光電傳感器得到干涉條紋時FPGA通過蜂鳴器鳴叫告知，此時停止轉動激光組件，FPGA自動記錄當前角度為in，繼續轉動激光器組件，光電傳感器記錄n個干涉條紋后蜂鳴器再次鳴叫告知，表明已經記錄n個干涉條紋，激光器組件應當停止轉動。FPGA通過計算將液晶盒高度h值在LCD液晶屏顯示，同時顯示入射光線的角度值和干涉條紋數n。

3 電路組成

圖3 電路組合

4 測量系統軟件實現

測量系統的編程思想是:系統上電復位后，首先查詢是否設定待測量的干涉條紋數n及激光波長(以nm為單位)兩個常數，當輸入以上數據后，系統等待光電傳感器輸出的干涉條紋數據，當讀取的干涉條紋亮度數據通過分析并確定后，FPGA讀取傾角傳感器當前角度，當5 s后沒有干涉條紋數據輸入時，自動調整干涉條紋亮度數據的閾值，直到檢測到干涉條紋數據為止。記錄干涉條紋數為n時，再次讀取傾角傳感器的角度值并有蜂鳴器報警。FPGA通過液晶盒厚h與入射角i、干涉條紋n的關系式編程計算出液晶盒厚h。如果再次測量，需要重復以上的步驟，直到達到要求為止。系統軟件框圖如圖4所示。

圖4 系統軟件框圖

5 實驗測量結果

在實際測量時，入射角較小區域的干涉加強波峰不明顯，測量的時間較長(單次測量用時超過1 min)。當入射角度在15°左右時，干涉條紋明顯，自動測量無須調整，用時在10 s左右，這是由于入射角較小時干涉加強波峰比較明顯。表1是三次在線測量結果，用時2 min左右。

表1 實驗測量結果

6 測量結果比較及優勢分析

為了對測量結果進行比較，用實際測量值進行計算并得到表2。普通光譜掃描法的相對標準差最大［5］，用時最多，動量掃描法的相對標準差較理想，但設備復雜、操作復雜，對環境要求高，而且需要對母版取樣。本文設計的系統實際用時最少、設備制造費用最低。雖然本文設計的測量系統和光譜掃描法采用的干涉原理相同，但取得的測量結果最好。原因是對干涉條紋的采樣電流進行了10位A/D高精度轉換，程序認定的干涉條紋二進制數是統一的，而不是用人眼主觀判斷干涉條紋。同時可以對干涉條紋閾值自動調整，這樣可以加快測量速度。本設計具有儀器設備簡單、測量速度快、相對標準差小等特點，適用液晶顯示器生產廠家在生產環節的在線實時測量。

表2 微米盒厚相對標準差的比較

［1］左瑞娟，林麗玉，武永華.LCD或LCD TV的畫質和色彩在線軟調整方法［J］.電視技術，2010，34(3):38－40.

［2］左瑞娟，武永華.液晶電視或液晶顯示器的動態γ調整方法［J］.電視技術，2010，34(11):117－119.

［3］沈奕，姚若河，吳永俊.基于光干涉原理的液晶空盒盒厚測量［J］.儀表技術與傳感器，2000(7):24－26.

［4］許澤宇，常碧波，林偉浩.基于移位寄存器的LCM模組開路短路測試方法［J］.現代顯示，2010(11):28－31.

［5］ LING Qiang，ZHU Henian.The comparison between two photoelectric scanning methods of LCD cell gap［J］.Dalian Science and Engineering University Journal，1997，73(2):281－283.