2020基于激光共焦反射传感器的透明多层膜大面积厚度测量.

基于激光共焦反射传感器的透明多层膜大面积厚度测量摘要（Abstract）It is critical to maintain uniform coating thicknesses over large area in order to manufacture high-quality coated transparent films. Optical thickness measurement technique gives relatively short measurement time and non-destructive measurement. Among the available optical techniques, a laser confocal(共焦的) method that detects reflected light at the interfaces between layers provides highly reliable and accurate height information. Because confocal sensors utilize focusing optics, both the numerical aperture of the focusing lens and refractive index of the film material must be considered when calibrating the actual thickness from the recorded displacement of the focusing lens. In this paper, we proposed a measurement method calibrated for the actual thickness of single- and double-layer transparent films. Also, we developed a large-area thickness measurement system for transparent substrates and the uniformity of hardcoated samples is evaluated using the laser confocal reflection sensor. Experimental results are compared with the thickness measured using a mechanical thickness gauge.为了制造高质量的涂覆透明薄膜，在大面积范围内保持涂覆厚度的均匀是至关重要的。

光学测厚技术具有测量时间短、无损检测等优点。

在现有的光学技术中，激光共焦法检测反射光在层之间的接口提供了高度可靠和准确的信息。

由于共焦传感器利用聚焦光学，在根据记录的聚焦透镜的位移校准实际厚度时，必须同时考虑聚焦透镜的数值孔径和薄膜材料的折射率。

在本文中，我们提出了一种测量方法校准的实际厚度的单层和双层透明薄膜。

此外，我们开发了一套大面积的透明基材厚度测量系统，并使用激光共聚焦反射传感器对涂层样品的均匀性进行了评估。

实验结果与用机械测厚仪测得的厚度进行了比较。

一、引言由于消费电子公司最近展示了多种多样的柔性显示器和可穿戴设备，柔性设备受到了广泛的关注。

塑料，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚酰亚胺(PI)被认为是实现柔性器件的候选基板。

然而，塑料基板不够坚固，不能承受粗糙的处理和划痕，特别是在触摸界面电子产品等应用中。

因此，需要在薄膜上涂上一层坚硬的涂层来提高表面硬度[1]。

作为一种硬涂料，丙烯酸酯树脂具有良好的光学透明性和附着力。

硬质涂层的厚度通常为1-10 μm。

在典型情况下，槽模涂层用于大规模制造硬涂层塑料薄膜。

为了确认大尺寸薄膜上的硬质涂层的均匀性，必须准确地测量厚度，并保证足够快的速度，以保持较高的生产率。

对于厚度测量，许多触觉和光学方法是可用的[2]。

触控笔是一种典型的触控方式，无论触控笔的光学性能如何，触控笔都能提供强健的触控效果。

但是，使用手写笔测量配置文件非常耗时。

在平面层的情况下，测试样品必须刮除以进行仿形。

尽管触控笔的工作压力非常低，但它仍然会影响表面质量。

光学方法包括椭偏[3]、干涉测量法[4 6]、光学荧光[7]、光学相干层析[8,9]、热成像[10]和共焦反射[11 14]。

光学方法具有很大的优势，特别是对在线检查，因为它们是快速和无损的。

表1展示了光学厚度测量技术的特点。

其中，共焦反射由于光学结构简单，适合于大尺寸测量。

z扫描可以通过振动扫描来解决，比如音叉扫描[15]。

Cox等人提出了共焦厚度测量，用于测量光盘[11]上的薄透明层。

由于轴向分辨率的关系，共焦测量具有最小可测厚度。

在[12]中，Wang等人使用了一种新的差分共焦系统来测量透镜厚度，提高了测量精度。

此外，共焦反射法可以测量透明材料的折射率。

Kuo等人开发了一种双光束共聚焦显微镜，使用诺玛斯基棱镜来测量透明材料的折射率和厚度，如盖板玻璃和微透镜阵列。

然而，该方法仅使用单层结构[13]进行了演示。

Wang等人提出了一种简单而强大的共焦技术，可以测量折射率测量。

但是，演示仅限于球形透镜[14]。

为了获得较高的厚度测量精度，需要考虑共焦光学和测量材料的信息。

在以往的研究中，表观厚度与真实厚度之间存在差异[11,16]。

多层结构使得这种差异更加复杂。

本文提出了一种共焦反射测厚方法。

该测量方法同时考虑了物镜的数值孔径和多层膜各层的折射率来计算厚度。

此外，我们开发了一种大面积厚度测量系统，可以处理2G(第二代)显示面板大小(370毫米470毫米)的基板。

利用该系统，实现了对大型透明多层膜厚度均匀性的快速评价。

二、大面积薄膜测厚系统图1(a)为所开发的大面积厚度测量系统。

它由一个高精度的XYZ平台和一个厚度传感器组成。

为了达到高水平的位置精度，该阶段是由直线电机沿空气轴承导轨。

该平台安装在一个沉重的花岗岩框架上，由气动隔振器支撑，消除了外部振动的影响。

厚度传感器由XYZ三坐标控制可以测量2G大小（370mm470mm）的衬底基片或薄膜用真空固定在多孔的平板吸盘上。

厚度可以连续测量，也可以逐点测量。

作为厚度传感器，为了测量透明层的厚度，使用了商业激光共焦反射传感器(LT-9011, Keyence)，如图1(b)所示。

表2列出了传感器的规格。

摘要在层状薄膜共焦厚度测量中，利用音叉对激光光束进行高速z向振动物镜的扫描。

反射到界面上的激光束会聚在一个针孔上，然后进入光探测器。

通过同时记录反射激光束的强度和物镜的高度，测量层状薄膜界面之间的距离，即厚度。

然而，在这方面我们需要谨慎对待。

从物镜位置的距离到准确的胶片厚度的平移不是简单的线性比例。

细节将在下一节讨论。

图1. 大面积厚度测量系统(a)全系统(b)激光共焦反射传感器表1. 光学厚度测量技术 类型优点 缺点 椭圆测量术高精度 薄层(< 10nm)有效 同时测量厚度和折射率 光学复杂，成本高 干涉测量高精度 需要可调激光源 折射率测量 薄层不准确(<50 nm) 光学荧光简单测量 荧光染料需要 需要预校核光学相干断层成像术宽量程测量（>500μm ） 精度相对不高 热成像大面积检测 用热导率的间接测量 不透明层测量 花费高 共焦反射 宽厚度范围（>1mm ）需要Z 扫描 简单低成本光学最小可测量的厚度(>0.5 μm ）三、用激光共焦传感器测量厚度3.1 单层厚度测量图2为共聚焦反射法测量透明薄膜厚度的原理，其中n1和n2分别为空气和薄膜材料的折射率，n2大于n1图2. 激光共焦反射法检测单层透明薄膜厚度的原理(n1 < n2)激光共焦传感器探测不同折射率材料之间的界面反射。

共焦传感器具有较高的轴向分辨率，能够准确地检测出界面及其高度位置。

此外，它可以通过测量顶部和底部表面来测量层的厚度。

然而，由于空气与透明膜的界面发生折射，使得聚焦透镜的位移与透明膜的实际厚度不匹配。

由斯涅耳法则可知，聚焦透镜位移与Dz ，厚度t ，表示如下[2]:其中NA 为聚焦透镜的数值孔径，θ1和θ2分别为入射角和透射角。

假设NA 非常小，则空气中测得的厚度可以简单地假设为:2sin n z t gle ⋅∆=(3) 由于它简单实用，在工业应用中得到了广泛的应用。

然而，NA 在许多情况下不能被忽视，因为光学聚焦技术通常使用具有高数值孔径的透镜来获得高轴向分辨率。

即使对于多层厚度的测量，也应该更仔细地考虑NA 。

否则，一些错误不可避免地发生[16]。

下一节介绍双层透明膜的厚度测量方法。

3.2 双层厚度测量对于双层透明薄膜，如图3所示，所测得的聚焦透镜位移如下所示，其叠加形式为(2):图3. 激光共焦反射法检测双层透明薄膜厚度的原理(n1 < n3 < n2)其中，n2和n3、t2和t3分别为顶层和底层的折射率和厚度。

共焦传感器的最大可测焦重为400lm 。

总厚度(t2 + t3)的最大可测厚度略大于400lm 。

结合(2)(4)，双层测量与单层测量的关系为:若NA 可忽略且空气n1为1，则测得位移可简单表示为:但是，当NA变大时，Eq.(6)的误差不可忽略。

例如，图4显示了使用Eqs 时，在不同厚度的硬表面层(丙烯酸酯硬涂层)上涂布188mm PET薄膜的测量总厚度的模拟结果。

(5)、(6)，其中，硬质涂层与基体分别对应于t2、t3，如图3所示。

在模拟中，我们使用的波长为655 nm，数值孔径为0.37。

PET薄膜和hart 涂层的折射率分别为1.607和1.515。

另外，如果忽略数值孔径(图4(a)中的红色圆圈)，则在大范围的硬质涂层厚度上存在较大的偏移。

如图4(b)所示，当测量较薄的硬质涂层时，会导致精度大大降低。

例如，在厚度为188毫米的PET薄膜上覆盖10毫米厚的硬涂层时，85%的误差会发生。

然而，我们可以使用考虑折射率的测量方法获得精确的结果，如式(4)所述。

图4(a)显示，所述方法的测量厚度与物理厚度完全匹配。

图4. 双层膜厚度测量的仿真结果。

(a)双层膜的实测总厚度由厚188 mm的PET底层和厚10 - 100 mm不等的硬质涂层组成。

黑色的方块和红色的圆圈分别显示了使用折射率和NA，以及仅使用折射率校正后的厚度结果。

蓝线表示物理厚度。

(b)厚度误差与顶层(硬质涂层)厚度之比。

四、实验结果4.1 单层透明基片厚度测量测量了一个15mm*15mm盖玻璃片(D263M, Schott)。