姜長城 全燕鳴 彭艷華

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

透明導電氧化(TCO)膜以其高透光率與可靠的導電性，常作為導電材料被制成透明電路而廣泛應用于平板顯示(FPD)、有機發(fā)光二極管(OLED)與太陽能薄膜電池(STC)等行業(yè)［1-2］.氧化銦錫(ITO)是一種典型的TCO 材料.雖然ITO 的制造成本高，但與其他眾多透明導電材料相比，由于其高于90%的透光率與低于10-3Ω·m 的電阻率，因此在投射電容觸摸屏(PCTP)中被大量使用［3-4］.

在PCTP 中，ITO 先被雙面涂鍍于玻璃基板上，再經過濕刻蝕［5］、等離子刻蝕［6］或激光燒蝕［7］，制成具有一定圖案的ITO 透明電路(簡稱ITO 電路)以形成二維感應矩陣，從而實現(xiàn)PCTP 的多重觸摸與高精度定位.但目前所有的刻蝕方法形成的ITO電路都會產生一定程度的缺陷(如短路、斷路、針孔、凸起、缺口、刮痕與污跡等)，這些缺陷將直接影響PCTP 的操作性.因此，對ITO 電路進行缺陷檢測是PCTP 制作過程中的重要環(huán)節(jié).

目前，ITO 電路的檢測方法主要有通電檢測法、人工目視檢測法及自動光學檢測(AOI)法.通電檢測法是通過對ITO 電路通電來檢測有、無ITO 涂覆區(qū)域的亮度差異，從而判別缺陷.近年來，有研究者(如Chan 等［8］)開發(fā)出了比較簡單的通電檢測裝置，將ITO 電路夾在聚合物分散液晶制成的裝置中，通電，使涂覆ITO 處在液晶屏上點亮而未涂覆ITO 處在液晶屏上灰暗，然后用相機采集圖像，根據(jù)亮度判斷ITO 電路的開路與短路缺陷.

也有研究人員采用掃描電子顯微鏡(SEM)［9］、微分干涉對比(DIC)技術［10］與光學相干斷層掃描(OCT)技術［11］對ITO 電路進行檢測，但該類人工目視檢測主要適用于測試樣品的結構與形態(tài)，無法對ITO 電路的功能缺陷進行識別，且無法應用于大規(guī)模生產.

為獲得更高分辨率與定位精度的PCTP，近年來，ITO 電路線寬及線間距已從原來的幾十微米向十微米甚至幾微米發(fā)展，這使得在一定生產率下有效檢測出ITO 電路的各種缺陷變得更加困難.Song等［12］提出并構建了一套檢測等離子顯示屏(PDP)ITO 電路的AOI 系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的檢測精度及速率較低(檢測精度為30 μm，檢測速率為62.85 mm/s，檢測一塊42 英寸的PDP 基板要耗時65 s)，不能滿足現(xiàn)代PCTP 生產的精度和速率需求.孫亞根［13］和彭永林［14］分別對ITO 電路缺陷檢測的圖像處理算法進行了研究，其圖像獲取采用基于面陣相機構建的系統(tǒng)，不能滿足實際生產的高速檢測需求.目前，由于PCTP AOI 設備的不成熟，生產企業(yè)多采用人工加顯微鏡目測的方法抽檢刻蝕后的ITO 電路，估計良品率.這樣的人工方法檢測效率低且易受主觀因素影響，當檢測精度高于30μm 時已無效率可言.

綜上所述，研發(fā)具有高檢測精度及速率的PCTP ITO 電路的AOI 系統(tǒng)是非常必要和迫切的.基于線陣CCD 的AOI 技術是有效解決此問題的一條主要途徑.然而，PCTP 中的ITO 材料與玻璃基板具有相近的光學特性，因此難以形成高對比度圖像，在高掃描檢測速率條件下更是如此.文中對單線陣CCD 的PCTP ITO 電路成像條件進行了研究，構建了10 μm 級線距ITO 電路的實際成像系統(tǒng)，并通過實驗驗證了其高速動態(tài)掃描成像效果.

1 ITO 電路的線陣CCD 成像方式

AOI 系統(tǒng)成像原理如圖1 所示［15-17］，其中dAs為發(fā)光體微面積，dAC為CCD 像元微面積，dA 為被測表面微面積，α1為光照方向與發(fā)光體微面法線夾角，α2為入射光方向與被測表面微面法線夾角，α3為透鏡光軸與被測表面微面法線夾角，Iα是發(fā)光體微面法線夾角為α1方向的發(fā)光強度(光強)，ρ 為反射系數(shù)，r 為發(fā)光體到被測表面的距離，l 為物距，D為入瞳直徑，β 為物方孔徑角.

線陣AOI 系統(tǒng)采用匯聚類線陣光源，α1=0°.線陣CCD 相機只有一列CCD 像元，故采用這種相機時只有沿透鏡光軸的光線才能成像.投射電容觸摸屏的玻璃基板表面和ITO 膜表面可類比于鏡面，入射角等于反射角.因此，用線陣CCD 相機和線陣光源進行成像檢測時，只有在光源傾角與相機傾角相等(即α2=α3)的情況下才可成像.由于光源與相機的傾斜安裝角度不易保證絕對相等，α2=α3=0°或180°則容易實現(xiàn)，因此可如圖2 所示進行透射成像和明場照明反射成像，其入射、反射、透射線同向.

圖1 AOI 系統(tǒng)成像原理圖Fig.1 Imaging principle of AOI system

圖2 ITO 電路的線陣相機成像方式Fig.2 ITO imaging mode of line-scan camera

若采用圖2(a)所示的透射成像原理檢測玻璃基板表面的ITO 電路，刻有ITO 的玻璃基板被放置于中間鏤空、兩邊支撐的運動平臺上，光源置于基板下方.當電路無缺陷時，由于玻璃基板上、下表面的ITO 相同，故不會造成下表面對上表面成像的干擾;若下表面存在短路或異物缺陷，將影響上表面電路的成像并造成識別缺陷在下表面的定位混亂.

采用圖2(b)所示的反射成像原理進行檢測時，即使下表面ITO 電路存在缺陷，也不會對上表面的成像造成影響，故文中確定采用這種成像方式.

2 最大疊加反射系數(shù)的成像系統(tǒng)設計

對于黑白線陣CCD 相機，獲取的圖像灰度值與其CCD 輸出信號電壓值Uo成正比.線陣CCD 輸出信號的電壓值為［18］

式中，R 為線陣CCD 特性參數(shù)，Cint為線陣CCD 積分時間，Cr為所選鏡頭的透鏡投射系數(shù)，F(xiàn) 為相機光圈值，m 為系統(tǒng)放大系數(shù)，r、ρ 意義與圖1 中同，I 為圖1 中α1=0 時的Iα.α2=α3=0°(即相機光軸與光源平行且同向，如圖2(b)所示)時，Uo有極大值.

當光學器件、檢測精度及工作參數(shù)確定后，式(1)中的R、Cint、Cr、r、F 及m 都是確定的，為簡化式(1)，定義參數(shù)K 為

ITO 膜與玻璃基板有相近的光學特性(如表1所示［19］，忽略其極微弱的吸收率)，兩者的反射系數(shù)差為0.08，故成像對比度很小.因此，需要設計反射條件，增大兩者的反射系數(shù)差異，從而增強圖像對比度.當α2=α3=0°時，CCD 對應兩者的輸出電壓分別為

式中，ρI、ρg分別為ITO 電路與玻璃基板的反射系數(shù).

表1 ITO 電路與玻璃基板的反射與透射系數(shù)Table 1 Reflection and transmission coefficients of ITO circuit and glass substrate

為衡量ITO 電路與玻璃基板兩部分的CCD 反射成像輸出對比度，定義以下函數(shù):

在圖2(b)所示成像方式下，由于玻璃基板和上、下表面ITO 電路形成高透射率的三層結構，使得成像時的反射系數(shù)并不僅僅是由單一材料與單層結構決定，而是由三層結構經過透射與反射最終疊加形成.因此，為使UI-g獲得極大值，應將ITO電路與基板玻璃的疊加反射系數(shù)差值設計得盡可能大.

設運動平臺表面反射系數(shù)為ρv.將圖2(b)中的區(qū)域A 局部放大，如圖3 所示，光強為Iα的一條光線對ITO 電路、基板玻璃成像需分別經4 個、3 個介面的透射及反射，每個介面的反射光強之和即為最終反射光強，相應的計算如表2 所示.

圖3 ITO 電路和玻璃基板的多層反射Fig.3 Multi-reflection of ITO circuit and glass substrate

表2 ITO 電路與玻璃基板的疊加反射光強計算Table 2 Calculation of total reflection intensity for ITO circuit and glass substrate

設ρ1為對應表2 中It總光強(圖3 中有ITO 電路之處)的疊加反射系數(shù)，ρ2為對應表2 中Ig總光強(圖3 中無ITO 膜處)的疊加反射系數(shù)，式(5)可寫為

代入表2 相應數(shù)據(jù)，得

根據(jù)運動平臺的表面物理特性，ρv取值范圍為0～1.為使式(7)中的UI-g獲得最大值，ρv應盡可能小.因此，擬將運動平臺表面涂覆均勻的黑色吸光漆，使得ρv≈0.

通過以上設計，ITO 電路與玻璃基板處的疊加反射系數(shù)差達0.155，可以有效地增大ITO 電路與無膜玻璃基板兩部分的圖像對比度.

3 實驗結果及分析

實驗用成像系統(tǒng)的部件特性及工作參數(shù)見表3.線陣CCD 曝光積分時間Cint反比于行頻，而行頻需根據(jù)檢測精度和檢測平臺運動速度決定.考慮到實際生產中需采用高的平臺運動速度與高行頻來保證檢測速率與精度，根據(jù)式(6)，在積分時間較小的情況下，要獲得高對比度的圖像，必須提高光源亮度.

勻光措施不足時，高亮度光源中的LED 顆粒會在圖像上形成亮斑，降低圖像質量.文中將線陣光源加裝漫射板，雖可有效提高光照均勻性，但光源亮度被嚴重削弱.在ITO 電路成像系統(tǒng)中，光照均勻性嚴重影響成像質量，故在保證光照均勻性的前提下，對于既定的平臺運動速率和掃描行幀，通過實驗對比不同亮度下獲取的圖像質量來確定適宜照明亮度，從而為獲取高對比度的清晰圖像提供支持.

數(shù)控白色LED 同軸線光源有256 個亮度等級，從亮度等級為50 開始逐漸遞增進行掃描實驗，結果如圖4 所示.

表3 實驗用成像系統(tǒng)部件的特性參數(shù)及工作參數(shù)Table 3 Characteristic and working parameters of components of experimental imaging system

圖4 成像系統(tǒng)實驗結果Fig.4 Experimental results of imaging system

由圖4(a)可知，光源亮度過低使CCD 曝光不充分，這一方面導致了圖像過暗，難以分辨ITO 電路，另一方面使圖像存在橫向規(guī)律性干擾條紋.灰度直方圖并不具明顯雙峰性，即玻璃基板與ITO 電路各自所對應的灰度不具有明顯的峰值，這都將增加后續(xù)圖像處理算法的復雜性.光源亮度等級增大到185 時采集的圖像(見圖4(b))已經有相當高的對比度，但是仍有隱約的橫向干擾條紋.隨著亮度等級提高到190，圖4(c)所示圖像中的橫向干擾規(guī)律條紋消失，整體亮度適中，圖像細節(jié)清晰，其灰度直方圖具有明顯的雙峰值.繼續(xù)提高光源亮度等級到最大值255，采集的圖像(見圖4(d))與圖4(c)中圖像相比，質量無明顯差異，兩者的直方圖也基本相似.光源工作于高亮度狀態(tài)時發(fā)熱嚴重，將相當快地引起發(fā)光亮度衰減，降低光源壽命，因此確定同軸光源照明亮度等級為190.

4 結語

文中針對線陣CCD 用于ITO 電路AOI 系統(tǒng)時玻璃基板與ITO 電路難以高對比度地清晰成像的問題，研究了ITO 電路的成像方式，采用明場反射照明建立了基于最大疊加反射系數(shù)差值的同軸照明與成像系統(tǒng)，在檢測平臺高速運動條件下，通過不同光照亮度時所獲取系列圖像的對比，確定了可獲得高對比度ITO 電路與玻璃基板圖像的成像系統(tǒng)工作參數(shù).掃描實驗結果表明，同軸線光源亮度等級為190時，可在運動速度為130 mm/s 的條件下對10 μm 線間距ITO 電路獲取高對比度清晰圖像.

基于文中方法所設計的成像系統(tǒng)已經實際應用于ITO 線路檢測設備中，該成像系統(tǒng)設計方法不僅適用于PCTP 中ITO 電路的AOI 檢測，也適用于PDP 及LCD 中ITO 電路的AOI 檢測，具有廣泛的應用前景.

［1］Yano H，Kouro D，Sasaki N et al.Improvement of polymer/fullerene solar cells by controlling geometry of the ITO substrate surface［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，2009，93(6):976-979.

［2］曹鏞，陶洪，鄒建華，等.金屬氧化物薄膜晶體管及其在新型顯示中的應用［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2012，40(10):1-11.Cao Yong，Tao Hong，Zou Jian-hua，et al.Metal oxide thin film transistors and their application to novel display technology［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2012，40(10):1-11.

［3］呂明，呂延.觸摸屏的技術現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及市場前景［J］.機床電器，2012(3):4-7.Lv Ming，Lv Yan.The technology current situation and developing tendency and market of touch-screen ［J］.Machine Tool Electric Apparatus，2012(3):4-7.

［4］劉瑞.觸摸屏技術及其性能分析［J］.裝備制造技術，2010(3):69-70.Liu Rui.Touch-screen technology and it’s performance analysis［J］.Equipment Manufacturing Technology，2010(3):69-70.

［5］Leem D S，Lee T，Song T Y.Enhancement of the light output of GaN-based light-emitting diodes with surface-patterned ITO electrodes by mask less wet-etching［J］.Solid-State Electron，2007，51(5):793-796.

［6］Park J Y，Kim H S，Lee D H，et al.A study on the etch characteristics of ITO thin film using inductively coupled plasmas［J］.Surface and Coatings Technology，2000，131(1):247-251.

［7］Chen M F，Chen Y P，Hsiao W T，et al.Laser direct write patterning technique of indium tin oxide film ［J］.Thin Solid Films，2007，515(24):8515-8518.

［8］Chan Chih-Hsiang，Zou Yong-Tong，Liu Ting-Kun，et al.The development of an inspection system for indium tin oxide circuits ［J］.Measurement Science and Technology，2012，23(8):1029-1034.

［9］Sierros K A，Morris N J，Kukureka S N，et al.Dry and wet sliding wear of ITO-coated PET components used in flexible optoelectronic applications［J］.Wear，2009，267(1):625-631.

［10］Yu S K，Liu T K，Lin S K.Height measurement of transparent objects by adopting differential interference contrast technology ［J］.Applied Optics，2010，49(14):2588-2596.

［11］Tsai M T，Chang F Y，Lee Y J，et al.Defect detection and property evaluation of indium tin oxide conducting glass using optical coherence tomography ［J］.Optics Express，2011，19(8):7559-7566.

［12］Song J Y，Park H Y，Kim H J，et al.Development of defect inspection system for PDP ITO patterned glass［J］.International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2006，7(3):18-23.

［13］孫亞根.基于機器視覺的電容屏缺陷識別方法研究［D］.南京:南京理工大學自動化系，2013.

［14］彭永林.平板顯示屏中缺陷識別算法的研究［D］.南京:東南大學電子工程學院，2010.

［15］郁道銀，談恒英.工程光學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［16］胡玉禧，安連生.應用光學［M］.合肥:中國科學技術大學出版社，2003.

［17］Desmarais Louis.Applied electro optics ［M］.Upper Saddle River:Prentice Hall，2011.

［18］韓芳芳.表面缺陷視覺在線檢測關鍵技術研究［D］.天津:天津大學精密儀器與光電子工程學院，2012.

［19］Van Lieu N R.Practical machine-vision-based automatic optical inspection for ITO-coated thin glass［C］∥SID International Symposium.Hoboken:John Wiley ＆ Sons，1998:540-543.