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        基于FPGA的液晶盒厚快速測量系統(tǒng)

        2011-06-06 08:13:30陳洪財(cái)張榮學(xué)孫名偉
        電視技術(shù) 2011年22期
        關(guān)鍵詞:母板入射角液晶

        陳洪財(cái),張榮學(xué),孫名偉

        (1.韓山師范學(xué)院,廣東 潮州 521041;2.潮州市創(chuàng)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(shù)和工藝的不斷創(chuàng)新,液晶母版玻璃尺寸逐代增大,已經(jīng)發(fā)展到2 880×3 080 mm,預(yù)計(jì)下一代的液晶屏還會(huì)繼續(xù)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(tài)下填充液晶材料,液晶填充量會(huì)直接影響液晶屏的畫面質(zhì)量,當(dāng)填充量過大時(shí)畫面下側(cè)發(fā)黃或發(fā)白,填充量過小,也會(huì)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(guān)系,同時(shí)和面內(nèi)段差等因素有關(guān)。因此,要想提高成品的合格率,降低生產(chǎn)成本,必須對液晶盒厚實(shí)時(shí)檢測,得出具體參數(shù),為液晶填充量提供參數(shù)依據(jù)。

        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(shí)參考液晶母板上已有的ITO膜和PI膜參數(shù),即可得出準(zhǔn)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(dòng)量(入射角)掃描法。利用單層F-P腔的多光束干涉模型來計(jì)算盒厚,一般要進(jìn)行取樣測量盒厚,測量過程費(fèi)時(shí)并且準(zhǔn)確率不高,同時(shí)脫離實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境。液晶盒厚快速測量系統(tǒng)是基于FPGA的實(shí)時(shí)測量系統(tǒng),液晶盒成型后,在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中直接測量液晶盒厚,液晶的填充量可以在測量數(shù)據(jù)得出后實(shí)時(shí)修改,經(jīng)過使用和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,測量效率提高20倍以上,相對標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)光學(xué)原理

        液晶空盒的母板玻璃規(guī)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(jīng)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(jīng)光柵濾除雜光后形成焦點(diǎn),焦點(diǎn)位于光電傳感器FDS02元件上。聚焦透鏡直徑約為2 cm,產(chǎn)生干涉條紋經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號讀取,入射激光的入射角小范圍改變時(shí),干涉條紋隨之移動(dòng),根據(jù)入射角與移動(dòng)的條紋數(shù)計(jì)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(guān)系式為

        式中:n是入射光線的入射角由in轉(zhuǎn)動(dòng)到im+n時(shí),在光電傳感器上掠過的干涉條紋數(shù)。用微型He-Ne器產(chǎn)生激光束照射時(shí),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(nèi)的反射光線也會(huì)產(chǎn)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(qiáng)度有明顯的區(qū)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(tǒng)組成

        被測量的液晶空盒及所需的光學(xué)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(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)激光組件,微型激光器發(fā)射的精細(xì)激光束應(yīng)始終照射在量角儀圓心O點(diǎn)上。初始入射角度in約為15°,激光組件移動(dòng)時(shí),反射光線應(yīng)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(shù)量n不應(yīng)設(shè)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(tǒng)組成

        2.1 傾角傳感器

        加拿大MCS公司利用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的SANG1000系列傳感器具有精度高、體積小、用途廣等特點(diǎn),由于內(nèi)部已經(jīng)設(shè)計(jì)有高速數(shù)字處理器,傾角的角度值用數(shù)字形式輸出,并采用了光刻電阻技術(shù)來進(jìn)行補(bǔ)償非線性誤差,在角度的全程測量范圍內(nèi)保持著線性化,可重復(fù)精度為0.02°,測量精度為5″,其短期測量穩(wěn)定性為0.02°/h。本文采用二進(jìn)制格式碼發(fā)送,發(fā)送格式(單角度)為AA XX XX CC,AA是發(fā)送的角度字頭標(biāo)識符,XX是帶符號的二進(jìn)制數(shù),CC是校驗(yàn)碼,CC=數(shù)據(jù)字節(jié)1+數(shù)據(jù)字節(jié)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(shè)計(jì),經(jīng)過透鏡的匯聚光束經(jīng)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(jīng)放大后輸出給A/D電路。A/D轉(zhuǎn)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(zhǔn)電源[4],10位數(shù)字輸出格式,本文采用偏移二進(jìn)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(shè)置需要測量的干涉條紋數(shù)n(n一般為10~15),激光組件角度i由小逐漸增大,當(dāng)光電傳感器得到干涉條紋時(shí)FPGA通過蜂鳴器鳴叫告知,此時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)激光組件,F(xiàn)PGA自動(dòng)記錄當(dāng)前角度為in,繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)激光器組件,光電傳感器記錄n個(gè)干涉條紋后蜂鳴器再次鳴叫告知,表明已經(jīng)記錄n個(gè)干涉條紋,激光器組件應(yīng)當(dāng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。FPGA通過計(jì)算將液晶盒高度h值在LCD液晶屏顯示,同時(shí)顯示入射光線的角度值和干涉條紋數(shù)n。

        3 電路組成

        圖3 電路組合

        4 測量系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

        測量系統(tǒng)的編程思想是:系統(tǒng)上電復(fù)位后,首先查詢是否設(shè)定待測量的干涉條紋數(shù)n及激光波長(以nm為單位)兩個(gè)常數(shù),當(dāng)輸入以上數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)等待光電傳感器輸出的干涉條紋數(shù)據(jù),當(dāng)讀取的干涉條紋亮度數(shù)據(jù)通過分析并確定后,F(xiàn)PGA讀取傾角傳感器當(dāng)前角度,當(dāng)5 s后沒有干涉條紋數(shù)據(jù)輸入時(shí),自動(dòng)調(diào)整干涉條紋亮度數(shù)據(jù)的閾值,直到檢測到干涉條紋數(shù)據(jù)為止。記錄干涉條紋數(shù)為n時(shí),再次讀取傾角傳感器的角度值并有蜂鳴器報(bào)警。FPGA通過液晶盒厚h與入射角i、干涉條紋n的關(guān)系式編程計(jì)算出液晶盒厚h。如果再次測量,需要重復(fù)以上的步驟,直到達(dá)到要求為止。系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)軟件框圖

        5 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

        在實(shí)際測量時(shí),入射角較小區(qū)域的干涉加強(qiáng)波峰不明顯,測量的時(shí)間較長(單次測量用時(shí)超過1 min)。當(dāng)入射角度在15°左右時(shí),干涉條紋明顯,自動(dòng)測量無須調(diào)整,用時(shí)在10 s左右,這是由于入射角較小時(shí)干涉加強(qiáng)波峰比較明顯。表1是三次在線測量結(jié)果,用時(shí)2 min左右。

        表1 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

        6 測量結(jié)果比較及優(yōu)勢分析

        為了對測量結(jié)果進(jìn)行比較,用實(shí)際測量值進(jìn)行計(jì)算并得到表2。普通光譜掃描法的相對標(biāo)準(zhǔn)差最大[5],用時(shí)最多,動(dòng)量掃描法的相對標(biāo)準(zhǔn)差較理想,但設(shè)備復(fù)雜、操作復(fù)雜,對環(huán)境要求高,而且需要對母版取樣。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)際用時(shí)最少、設(shè)備制造費(fèi)用最低。雖然本文設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)和光譜掃描法采用的干涉原理相同,但取得的測量結(jié)果最好。原因是對干涉條紋的采樣電流進(jìn)行了10位A/D高精度轉(zhuǎn)換,程序認(rèn)定的干涉條紋二進(jìn)制數(shù)是統(tǒng)一的,而不是用人眼主觀判斷干涉條紋。同時(shí)可以對干涉條紋閾值自動(dòng)調(diào)整,這樣可以加快測量速度。本設(shè)計(jì)具有儀器設(shè)備簡單、測量速度快、相對標(biāo)準(zhǔn)差小等特點(diǎn),適用液晶顯示器生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在線實(shí)時(shí)測量。

        表2 微米盒厚相對標(biāo)準(zhǔn)差的比較

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

        [2]左瑞娟,武永華.液晶電視或液晶顯示器的動(dòng)態(tài)γ調(diào)整方法[J].電視技術(shù),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(shù)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(xiàn)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.

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