陳 魯，李志強(qiáng)

（深圳中科飛測科技有限公司， 廣東 深圳 518000）

引 言

隨著PAD、手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品的快速普及，OLED面板的市場發(fā)展迅速，需求巨大。由于OLED面板生產(chǎn)工序復(fù)雜，在大規(guī)模的生產(chǎn)中不可避免地會出現(xiàn)短路、斷路等缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的成品率，因此在生產(chǎn)過程中加入缺陷檢測是提升產(chǎn)品的成品率的必要環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)勞動密集型企業(yè)仍采用人工視覺缺陷檢測方法，由于過分地依賴技術(shù)員的視力和個(gè)人的主觀判斷，導(dǎo)致檢測結(jié)果的精度和一致性無法保證。國外研發(fā)的有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體（OLED）面板自動化生產(chǎn)設(shè)備均采用的是顯微鏡配合機(jī)器視覺的自動檢測方法，該方法檢測精度高、一致性好，極大地提升了生產(chǎn)效率。而國內(nèi)還不具備同類自動檢測產(chǎn)品，致使我國OLED面板生產(chǎn)企業(yè)只能從國外進(jìn)口生產(chǎn)設(shè)備[1-2]。

顯微鏡作為自動檢測設(shè)備的重要組成部分，其照明均勻性將直接影響成像區(qū)域的對比度，對突顯目標(biāo)的特征、后續(xù)機(jī)器視覺識別以及分析檢測區(qū)域影響重大。顯微鏡能否正確獲取面板缺陷信息很大程度上取決于顯微物鏡的成像性能。

在顯微鏡照明和物鏡設(shè)計(jì)方面的成果有：薛金來等[3]通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、光角度分配及材料選擇優(yōu)化出NA為0.75 的復(fù)消色差物鏡；陳姣等[4]通過PW法并結(jié)合初級像差理論設(shè)計(jì)出近紫外-可見光寬波段復(fù)消色差顯微物鏡；郁曉暉等[5]研究了針對癌癥基因突變檢測的寬光譜、大數(shù)值孔徑平場復(fù)消色差物鏡；柴常春等[6]設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡的照明系統(tǒng)；隋成華等[7]研究了用于裂縫燈顯微鏡科勒照明系統(tǒng)。

但是，這些設(shè)計(jì)都不是針對OLED面板自動檢測的顯微鏡系統(tǒng)的要求進(jìn)行的，為此本文針對OLED面板自動檢測特點(diǎn)，即以提高照明系統(tǒng)均勻性和成像性能為目的，設(shè)計(jì)面板檢測用顯微鏡照明光學(xué)系統(tǒng)和顯微物鏡，為實(shí)現(xiàn)OLED面板的自動檢測提供參考。

1 面板檢測設(shè)備構(gòu)成

圖1為面板檢測設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖，主要由全檢模塊、復(fù)檢模塊、定位模塊、面板承載平臺等幾部分組成。

圖 1 面板檢測設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 The overall structure of panel inspection equipment

首先全檢模塊對面板進(jìn)行掃描檢測，面板在X方向上往復(fù)運(yùn)動，全檢模塊在Y方向往復(fù)運(yùn)動，形成XY面掃描。全檢模塊負(fù)責(zé)掃描完整面板區(qū)域，進(jìn)行缺陷識別及分析，最終得到面板上的全部缺陷。

復(fù)檢模塊在Y方向上可往復(fù)運(yùn)動，復(fù)檢模塊主要對全檢模塊檢出的缺陷進(jìn)行高分辨率圖像復(fù)拍，用于缺陷的精細(xì)分析及分類。復(fù)檢模塊由顯微光學(xué)系統(tǒng)組成，而顯微光學(xué)系統(tǒng)組成又由照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)兩部分組成，如圖2所示。

圖 2 面板檢測用顯微鏡原理Fig. 2 The principle of microscope for panel inspection

顯微鏡工作原理：

（1）光源輻射出光束先經(jīng)集光鏡、聚光鏡，然后經(jīng)分光鏡轉(zhuǎn)折，在物鏡聚焦的后焦平面成光源的像，再經(jīng)過無限遠(yuǎn)物鏡后在面板上形成均勻的輻照分布。

（2）被均勻照明的面板經(jīng)無限遠(yuǎn)物鏡、分光鏡、無限遠(yuǎn)筒鏡成像在相機(jī)上。顯微鏡在Y方向上掃描并拍攝面板圖像，同時(shí)固定在平臺上的面板隨平臺沿X方向移動，從而對面板形成XY平面的掃描和拍攝。

（3）將采集到的圖像送計(jì)算機(jī)進(jìn)行算法分析，判斷出缺陷的種類和對應(yīng)位置坐標(biāo)，并統(tǒng)計(jì)出結(jié)果。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 顯微物鏡設(shè)計(jì)

為了方便系統(tǒng)分布和分光鏡安裝，本文選取無限遠(yuǎn)共軛物鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)際檢測需要和顯微鏡行業(yè)的國際標(biāo)準(zhǔn)，顯微物鏡的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表 1 顯微物鏡設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab. 1 Design index of the objective

本文針對可見光設(shè)計(jì)顯微鏡，選取C光、D光、F光為主要波長進(jìn)行優(yōu)化。通常情況下，復(fù)消色差的顯微物鏡初始結(jié)構(gòu)選用阿米西型或者阿貝型的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以很好校正球差、色差和正弦差。但這種系統(tǒng)是正光焦度分離的結(jié)構(gòu)，其匹茲萬場曲是較大的正值，為了滿足平場條件，系統(tǒng)需引入彎月形厚透鏡。通常消色差使用雙膠合透鏡，而復(fù)消色差則需要三膠合透鏡。由二級光譜理論可知，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)消色差，在材料選擇上需選相對色散系數(shù)盡量相等、阿貝常數(shù)相差要大的材料。整體光焦度為0.1 m-1，共6組10片鏡片，初始設(shè)計(jì)時(shí)采用光焦度均勻分配原則[3-5]。

依照物鏡設(shè)計(jì)參數(shù)使用Zemax軟件進(jìn)行優(yōu)化。圖3為物鏡結(jié)構(gòu)圖，該物鏡由6組共10片鏡片組成。圖4為物鏡的各類像差：（a）顯示出各視場RMS半徑均小于艾里斑半徑；（b）顯示625 lp/mm處全視場內(nèi)的MTF>0.45，圖中最外實(shí)線圈為衍射極限，各視場子午方向和弧矢方向均趨近衍射極限，能夠很好地保證成像質(zhì)量；（c）、（d）、（e）分別顯示出物鏡的色差、二級光譜、像散、場曲都得到了很好的校正，畸變也在0.5%以內(nèi)。綜上表明，物鏡像質(zhì)良好，可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖 3 物鏡結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 The objective lens structure

2.2 照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成像系統(tǒng)視場為0.62 mm × 0.49 mm,外接圓直徑為0.8 mm，照明視場需要覆蓋成像視場，另外由于結(jié)構(gòu)件的加工及裝配誤差，需留取一定余量，又因物鏡視場直徑為1.2 mm，故照明視場取1.2 mm。為了更好地突顯面板上目標(biāo)的缺陷特征，保證良好的圖像質(zhì)量，照明的均勻性需大于95%。

圖5為照明系統(tǒng)光路，光源輸出端面直徑為3.5 mm，NA1為0.22，則物高y1為1.75 mm。根據(jù)物鏡視場為1.2 mm，則y3為0.6 mm。

根據(jù)幾何關(guān)系和照明系統(tǒng)拉赫不變量可知，孔徑角u1、u2、u3滿足以下關(guān)系：

圖 4 像差圖Fig. 4 Aberration curves

式中：y2為照明系統(tǒng)像高；n1、n2為介質(zhì)折射率。因系統(tǒng)位于空氣中，有n1=n2=1，則式（2）可表示為

圖 5 顯微鏡照明光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig. 5 The illumination optical system of microscope

將參數(shù)代入式（2），可得y2=6.42 mm。

將光源參數(shù)y1=1.75 mm，NA1=0.22作為輸入，采用三片雙凸透鏡和一個(gè)雙膠合透鏡組合的初始結(jié)構(gòu)[6-8]，經(jīng)Zemax軟件優(yōu)化，得到照明光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)如圖6所示。聚光鏡距像面120 mm，光源像高6.42 mm。

將優(yōu)化好的顯微物鏡和照明系統(tǒng)導(dǎo)入Zemax軟件中，得到如圖7所示的光學(xué)模型結(jié)構(gòu)。

使用Lighttools光學(xué)軟件進(jìn)行仿真分析，采用蒙特卡羅光線追擊方法，即從建好的光源模型中生成多條光線，使經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的出射光產(chǎn)生最佳的輻照面[9-11]。按照Zemax中的參數(shù)，在Lighttools中建模仿真，效果如圖8所示。

追跡2 000萬條光線，得到輻射照度分布圖，如圖9所示。從圖中可以看出：照射面上的光斑為圓形且均勻，直徑約為1.2 mm；在X方向上，最小輻射照度為0.499 W/mm2，最大輻射照度為0.514 W/m2，平均輻射照度為0.508 W/mm2，均勻性為98.2%；Y方向上最小輻射照度為0.501 W/mm2，最大輻射照度為0.515 W/mm2，平均輻射照度為0.509 W/mm2，均勻性為98.4%。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 分辨率測試

圖 6 照明光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)數(shù)據(jù)列表Fig. 6 The optical data list of llumination optical system

圖 7 光學(xué)模型結(jié)構(gòu)Fig. 7 The optical model structure

圖 8 Lighttools仿真圖Fig. 8 The simulation by Lighttools

圖 9 輻射照度分布Fig. 9 The irradiance distribution

將設(shè)計(jì)好并加工完成的光學(xué)鏡片和結(jié)構(gòu)件裝配完成，光源模塊采用光纖輸出光，同時(shí)將光纖出射端連接到照明光學(xué)系統(tǒng)入射端。實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖11為用于測試顯微光學(xué)系統(tǒng)的分辨率板，將標(biāo)準(zhǔn)分辨率板置于平臺上，顯微光學(xué)系統(tǒng)對分辨率板進(jìn)行聚焦和拍攝圖像。從圖11中可看出，顯微光學(xué)系統(tǒng)能清晰分辨9-3條紋，即645 lp/mm（對應(yīng)分辨率為0.775 μm）。使用程序計(jì)算9-3條紋的對比度，可得Y方向和X方向?qū)Ρ榷确謩e為0.436、0.400，與設(shè)計(jì)要求基本一致，滿足分辨率要求。

3.2 均勻性測試

將空白面板置于平臺上，顯微系統(tǒng)聚焦后拍攝圖像。使用MATLAB分析系統(tǒng)照明均勻性，結(jié)果如圖12所示，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。由此可知X和Y方向均勻性均滿足要求。

圖 10 實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 10 The experimental device

圖 11 分辨率測試圖Fig. 11 The resolution test

圖 12 MATLAB 分析均勻性結(jié)果Fig. 12 The uniformity analysis results by MATLAB

表 2 均勻性測試結(jié)果Tab. 2 Uniformity test result

4 結(jié) 論

本文根據(jù)OLED面板自動檢測對高成像質(zhì)量、高照明均勻性的要求，設(shè)計(jì)了面板檢測用顯微光學(xué)系統(tǒng)。其中設(shè)計(jì)的平場復(fù)消色差顯微物鏡成像質(zhì)量趨近衍射極限，照明光學(xué)系統(tǒng)采用科勒照明結(jié)構(gòu)，保證了照明均勻性且降低了生產(chǎn)成本。實(shí)驗(yàn)表明：光學(xué)系統(tǒng)分辨率達(dá)到0.775 μm，在成像視場范圍內(nèi)照明均勻性可以達(dá)到98%以上。設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果一致，滿足高精度面板檢測使用要求。