泓川科技小量程光谱共焦传感器双探头对射法实现4-5mm玻璃镜片大厚度1μm 精度测量案例

一、引言

在光学元件制造领域，玻璃镜片的厚度精度直接影响光学系统的成像质量与性能稳定性。随着精密光学仪器的发展，对 4-5mm 厚度玻璃镜片的测量精度要求已提升至 1μm 以内。传统接触式测量方法存在划伤镜片表面、测量效率低等问题，而单一光谱共焦传感器因量程限制（通常仅 2.6mm）无法直接覆盖 4-5mm 厚度范围。本案例基于 LTC2600 系列激光位移传感器，提出双探头对射测量方案，通过机械结构优化与精密标定，实现了 1μm 以内的测量精度，为同类厚度光学元件的高精度检测提供了可行解决方案。

二、测量挑战与需求分析

（一）核心测量需求

测量对象：4-5mm 厚度玻璃镜片，表面光洁度高，需避免接触式测量损伤。

精度要求：整体测量误差控制在 1μm 以内，满足精密光学元件的质量管控标准。

效率需求：需实现自动化测量，适配生产线快速检测场景。

（二）技术难点

量程与精度的矛盾：单台光谱共焦传感器量程（2.6mm）无法覆盖 4-5mm 厚度，而 LTC2600 虽具备 15mm 量程，但直接单探头测量需搭配复杂位移机构，难以保证微米级精度。

双探头对射误差重叠：传统双探头对射方案中，两探头测量光束的对心精度不足会导致测量值叠加误差，若光束偏移 1μm，厚度测量误差将直接体现为 2μm（双向偏移）。

系统标定复杂性：不同探头的线性误差、温度漂移需同步补偿，且中间介质（玻璃镜片）的折射率影响需通过标定消除。

三、解决方案设计

（一）硬件方案选型

传感器选型：采用 LTC2600 激光位移传感器（参数见表 1），其 ±0.3μm 的重复精度与 0.05μm 线性误差满足高精度要求，15mm 量程为双探头对射提供冗余空间。

机械结构：定制双探头对射夹具，包含：

Z 轴精密调节机构（精度 ±1μm），用于调节两探头间距；

光束对心校准装置（基于亚微米级运动平台），确保两探头光束同轴对准；

恒温底座（控温精度 ±0.5℃），抑制温度漂移（传感器温度特性 < 0.03% F.S./℃）。

控制器与软件：搭配 8 通道 LT-CCH 控制器（最高采样频率 21kHz），集成配套测控软件与 C# 开发包，实现数据实时采集与分析。

（二）测量原理与方案创新

双探头对射测量原理如图 1 所示：两传感器分别从镜片两侧发射激光，光束穿透镜片后由对侧传感器接收，通过计算两传感器测量值之差（D1-D2）得到镜片厚度。创新点在于：

重叠区域校准：先将两探头置于重叠区域（间距 < 2.6mm），通过标准镀银膜反射镜校准光束对心，确保光点偏移 < 0.5μm；

量程扩展策略：利用 Z 轴调节机构将两探头间距拉开至 6-8mm（超出单探头量程但在双探头组合量程内），通过机械精度保证光束对心不受影响；

标准件动态标定：使用 4mm 和 5mm 标准厚度玻璃（精度 ±0.5μm）进行实时标定，补偿系统误差与折射率影响。

四、实施步骤与标定流程

（一）硬件安装与调试

夹具安装：将双探头固定于 Z 轴调节机构，确保两传感器光轴同轴度偏差 < 10μrad；

初始对心：在重叠区域（间距 2mm）放置锐利玻璃边缘，通过亚微米定位平台（精度 ±0.1μm）调整探头位置，使两传感器光斑中心重合（基于激光干涉仪验证）；

间距调节：启动 Z 轴机构，将两探头间距缓慢增至 6.5mm，记录调节量（机械精度 ±1μm）。

（二）系统标定流程

标准件准备：选取 4mm（标准值 4.000mm）和 5mm（5.000mm）石英玻璃标准片，表面平整度 <λ 10（λ="633nm）；

零点校准：在两探头间无介质时，采集 1000 组数据取均值，设定为基准零点（D0=0）；

厚度标定：

放置 4mm 标准片，采集数据并计算厚度值 T1，若实测值为 4.002mm，则标定系数 K1=4.000/4.002=0.9995；

更换 5mm 标准片，同理计算 K2=5.000/T2，取 K1 与 K2 均值作为系统标定系数 K=0.9996；

温度补偿：在 25℃±5℃范围内测试，建立温度 - 误差修正模型（如 ΔT=1℃时，修正值 ΔD=0.03%×15mm×1℃=0.0045mm=4.5μm）。

（三）实际测量流程

镜片放置：将待测玻璃镜片置于两探头中间，确保表面与光轴垂直（倾斜角 <±0.5°）；

数据采集：启动 LT-CCH 控制器，以 10kHz 采样频率连续采集 100 组数据，剔除异常值后取均值；

厚度计算：实测厚度 T=K×(D1-D2)，其中 D1、D2 为两传感器测量值；

误差修正：根据环境温度实时修正测量值（如温度 28℃时，修正值 = 4.5μm×(28-25)=13.5μm，实测值需减去该修正量）。

五、测量结果与精度验证

（一）重复性测试

对 4mm 标准片进行 10 次重复测量，结果如下：

（二）全量程精度验证

在 4-5mm 范围内选取 5 个厚度点（4.0mm、4.2mm、4.5mm、4.8mm、5.0mm），每个点测量 20 次，结果显示：

最大绝对误差：0.8μm（4.5mm 处）；

标准偏差：0.35μm；

线性度误差：0.05μm（与参数表一致）。

（三）对比传统方案优势

六、结论与应用拓展

本案例通过 LTC2600 激光位移传感器双探头对射方案，成功解决了 4-5mm 玻璃镜片 1μm 精度的测量难题。方案核心优势在于：

量程与精度的平衡：利用 15mm 量程传感器组合，通过机械调节与标定突破单探头量程限制，同时保证微米级精度；

误差抑制策略：重叠区域对心校准、标准件动态标定与温度补偿多管齐下，将系统误差控制在 0.8μm 以内；

工程化适配：配套控制器与软件支持自动化采集，21kHz 采样频率满足生产线快速检测需求。

该方案可拓展至其他透明 / 半透明板材厚度测量（如蓝宝石衬底、光学棱镜等），或通过多探头阵列实现三维轮廓检测。实际应用中需注意环境振动控制（建议安装隔振平台）与光路防尘（IP40 防护等级需配合防尘罩），以持续保证测量精度。

审核编辑 黄宇