1.引言

近年来，随着工作方式改革的推进,加上之前新型冠状病毒感染症（COVID-19）疫情下外出受限措施的实施，工作模式发生了巨大转变，居家办公、远程办公及网络会议等得到广泛普及。在此背景下，以笔记本电脑、平板电脑为代表的显示设备成为必不可少的工具。随着这类设备需求的增长，作为其重要内部组件的光学薄膜，需求也大幅上升。此外，平板电脑、智能手机、电视等产品的高清化进程不断加快，对光学薄膜厚度的品质要求也日益提高。本文将通过与传统系统的对比，介绍Line-Scan膜厚仪的特点及应用案例。

2.Line-Scan膜厚仪的概要

在薄膜的质量管理中，膜厚是重要的评价项目之一。然而，在采用卷对卷（Roll-to-Roll）工艺的薄膜制造过程中进行膜厚测量时，传统的点式（Point Type）测量方式仅能对膜厚进行 “点状” 检测 —— 当检测数值超出基准值时，无法精准定位不良部位，最终需对周边区域进行大面积裁切与废弃，由此产生时间及经济上的损耗。此外，还存在因未能检测出异常部位，导致不良品流出后，需投入巨额调查与回收成本的风险。

针对客户 “希望规避此类损耗与风险” 的需求，我司研发出可对薄膜全表面膜厚进行测量并可视化的 “Line-Scan膜厚仪”（详见图 1）。

图1　Line-Scan膜厚仪的外观

此外，借助新研发的高速运算处理技术，本设备实现了最短 0.01 秒的测量周期，即便面对高速的薄膜输送速度也能稳定适配。

3.膜厚测量的原理

我司研发并销售推扫式（Line-Scan）高光谱相机。而Line-Scan膜厚仪通过高光谱相机测得的分光光谱来计算膜厚（详见图 2）。

图2 Line-Scan膜厚仪的测量

我司的膜厚仪算采用分光干涉法。所谓分光干涉法，是指通过测量以下现象来获取膜厚的方法：薄膜表面反射的光与穿透薄膜后从背面反射的光，会因薄膜厚度所产生的光程差而出现相位偏移，进而发生干涉；再根据由此形成的分光光谱的周期性及形状，计算得出膜厚。

图3所示为发生干涉的概念图。在某一波长下，表面反射光与穿透薄膜的反射光相位一致，反射强度随之增强；而在另一波长下，两者相位相反，反射强度则会减弱。将这些反射强度按波长逐一绘制图表，即可得到与膜厚相对应的分光干涉光谱。

图3 光干涉发生的现象

图4 振幅反射率式

用振幅反射率公式对上述现象进行表示的便是图4。由该公式可知，相位因子β与振幅反射率r均为波长λ的函数。这意味着r随波长λ的变化具有周期性。β中包含折射率N、膜厚d、折射角θ这三个变量。也就是说，即便材料相同，干涉周期也会随膜厚d的不同而发生变化。由此可见，通过对分光干涉光谱进行频率分析，即可计算得出膜厚。

4.与传统检测系统的差异及优势

作为面向薄膜生产线的膜厚检测系统，我司目前主要使用的是采用了光纤的分光光度计。图 5 为该系统的示例，如图所示，与测量用光源相连的光纤，通过一个探头与检测器侧的光纤集束在一起，测量光的照射与接收在同轴上的同一点进行。由于光纤具有可弯曲性，将其与图中所示的移动单元组合，即可将探头移动至薄膜上的任意位置进行测量。

图5 传统膜厚检测系统的示例

除分光干涉法外，其他膜厚测量系统中还包括利用膜厚与特定波长吸光度相关性的测量系统。这类系统采用被称为“校准曲线法”的测量方式，通过让红外线、X射线、β射线等单一或多种波长的射线穿透薄膜来实现膜厚测量。此类系统通常也会搭载移动单元。

传统膜厚检测系统与Line-Scan膜厚仪的关键差异，在于能否实现全表面测量。图6展示了两种系统的测量结果示意图：左侧为Line-Scan膜厚仪测得的膜厚分布，右侧为点式膜厚检测系统通过移动单元扫描测量时的测量位置示意图。由此可见，传统膜厚检测系统无法精准捕捉膜厚的面内分布及异常部位；而Line-Scan膜厚仪可实时观测膜厚分布，因此能无遗漏地检测出特征性不均及异常部位。

此外，没有移动单元这类可动部件，也是Line-Scan膜厚仪的优势之一。用于显示设备光学薄膜需在洁净室中生产，以避免灰尘等杂质附着。若设备存在可动部件，就必须采取防尘措施；同时，还需考虑长期运行过程中的故障风险及维护成本。而Line-Scan膜厚仪因无任何可动部件，在这一点上同样具备显著优势。

图6  Line-Scan膜厚仪与传统检测系统的测量点的对比

5.支持宽幅薄膜与高精度演算

随着显示屏尺寸的扩大及市场需求的增长，光学薄膜在生产时需要通过拓宽薄膜幅面来满足需求。除提升生产效率外，为降低单位面积单价，拓宽薄膜幅面也是行业内常用的做法。针对这类宽幅生产线，Line-Scan膜厚仪可通过多台设备并列部署的方式，实现最大 10 米的测量幅面。（图7）

图7  对应宽幅样品的示例

此时，虽会出现各系统间测量值的衔接处产生台阶差等问题，但我司通过独创的处理方法，能够在不影响测量值的前提下，获得全幅面的连续平滑的膜厚数据。

前文图4中已给出振幅反射率公式，由该公式可知，折射角θ同样会对振幅反射率产生影响。如图8所示，Line-Scan膜厚仪在测量幅面的中央附近与边缘处的测量角度存在差异，而我司基于图4的振幅反射率公式，采用考虑了折射角θ的更高精度运算方法来计算膜厚值。

图8 测量角度的差异

通过这种高精度运算，即使是在测量幅面的边缘处也能得到准确结果，因此在多台设备并列的系统中，也能实现更连续平滑的数据衔接。

6.测量事例（例1：横向不均）

以下案例展示的是使用Line-Scan膜厚仪测量得到的膜厚分布示意图。

例1：横向不均

多数薄膜是通过将熔融的合成树脂进行挤出成型来生产的。在薄膜宽度方向上产生的膜厚不均匀，即称为横向不均（图 9）。

图 9 横向不均的测量示意图

这种横向不均的产生，与生产过程中的挤出条件、树脂粘度、输送速度波动、辊轴或薄膜的振动等多种因素相关。此外，横向不均不仅会出现在成型过程中的薄膜上，在为成型薄膜赋予功能性而涂覆的涂层中，也可能产生。横向不均既有可能在薄膜全幅面上出现，也可能仅在局部区域产生；根据挤出条件、辊轴故障或涂覆条件的不同，有时还会呈现出一定的周期性。

由于Line-Scan膜厚仪能够对薄膜全幅面进行同步测量，因此可检测出上述在全幅面或局部区域出现的横向不均。

7.测量事例（例2：条纹不均）

例2：条纹不均

在挤出成型或涂覆过程中，若树脂在前端狭窄的缝隙状开口处形成块状物，就会产生条纹不均。(图10)

图 10 条纹不均的测量示意图

8.测量事例（例3：夹具不均）

例3：通过夹具不均检测，确定裁切宽度

我们平时看到的薄型薄膜，通常是通过将挤出成型的厚膜在高温下用夹具夹住两端进行拉伸而制成的。由于被夹具夹住的两端附近膜厚不均比较严重，因此通常会将这部分切掉一定宽度，只把中间膜厚不均较小的部分作为产品出货。这些被切掉的部分被称为“膜边料”，有时会被回收、熔融后作为原料重新利用。为了将这种再生成本、废弃成本以及成分信息泄露的风险等控制在最低限度，需要确定合适的切除宽度。

图11是测量夹具造成的膜厚不均的例子。通过这种方式，可以将由夹具导致的膜厚不均以特定模式提取出来，从而为精细应对因原料或温度不同而产生的膜厚不均提供所需信息。

图11 夹具不均的测量示意图

9.向多个领域的拓展

如前文所述，Line-Scan膜厚仪采用的是分光干涉法。实际上，只要是能产生光干涉现象的薄膜，不仅限于光学薄膜领域，在多个领域的产品检测都可应用该设备。

例如，图 12 为薄膜电容器的示意图。薄膜电容器是以 PET薄膜或 PP薄膜作为电介质的电容器，由于薄膜的厚度直接关系到电容器的性能与安全性，因此对膜厚的管理至关重要。

图 12 薄膜电容器

在医疗领域，Line-Scan仪还可用于片剂等药品包装薄膜中氧气阻隔层的厚度管理（见图 13）。由于氧气阻隔层的厚度一旦变薄，其阻隔性能就会丧失，因此这也是需要管理的重要要素。

图 13 药品用薄膜

Line-Scan仪在包装用薄膜领域的应用也备受期待（见图 14）。近年来，虽已开始出现 “去塑料化” 的趋势，但这并不意味着包装本身会消失。预计部分包装用薄膜仍将保留，且这些薄膜终将逐步被替换为环保型可降解塑料。

此外，受人口老龄化影响，独居家庭数量正加速增长，小份包装的需求也随之上升。基于这样的背景，我们认为，为控制材料成本，对薄膜厚度进行管理将成为必要举措。

图14 包装用薄膜

10.结语

正如本文所介绍，我们预计采用高光谱相机的膜厚仪，今后需求将进一步增长。该测量系统不仅可应用于前文提及的领域，根据具体应用场景的不同，还蕴藏着无限可能。

我司也以在传统检测系统中积累的技术为坚实支撑，正致力于研发性能更卓越的膜厚检测系统。凭借着在膜厚测量领域 30 余年的实践经验，我们能够提供精准的解决方案，目前也提供测量演示服务。若您对现有检测流程存在不满，或正为进一步提升产品质量而考虑引入检测系统，欢迎随时与我司联系咨询。

感谢您阅读至本文末尾。若文中介绍的技术与产品能对您有所帮助，我们深感荣幸。

（刊载于『图像labor』2020年10月号2020/10）