如何在手机壳生产中，实现高反光、多材质Logo段差与表面粗糙度亚微米级非接触测量？【光学自动化检测】

1. 手机壳logo段差测量的结构与技术要求

想象一下我们每天使用的手机壳，特别是那些带有精致品牌Logo的区域。这些Logo往往不是简单地印刷上去，而是通过不同的工艺实现，例如蚀刻、激光雕刻、注塑镶嵌，甚至是在不同材质的表面上进行浮雕或凹陷处理。这就意味着，Logo区域可能由与手机壳主体不同的材料构成，或者在同一材料上形成微小的台阶，我们称之为“段差”。

手机壳的材质多种多样，从常见的塑料（PC、TPU）到玻璃、金属、甚至皮革等复合材料。当Logo被制作在这些不同材质上时，不仅会形成肉眼可见的段差，这些段差的高度可能只有几十微米甚至几微米。同时，手机壳表面通常为了美观会进行抛光、喷漆、镀膜等处理，导致表面非常光滑，甚至呈现镜面高反光效果。

对于手机壳Logo段差的测量，主要的技术要求包括：* 高精度：需要能够分辨微米甚至纳米级的段差，以确保Logo的视觉和触感符合设计要求。* 多材质适应性：传感器必须能够稳定测量塑料、玻璃、金属等多种材料，这些材料对光的反射和吸收特性差异很大。* 高反光材质抗干扰：面对镜面般的高反光表面，传统光学传感器很容易因光线饱和或信号缺失而无法测量。* 表面粗糙度检测：除了段差高度，Logo区域及其周围的表面粗糙度也直接影响产品质量和用户体验。* 无损非接触：避免在测量过程中对手机壳表面造成任何划痕或损伤，尤其是在生产线上进行检测时。

这些要求使得手机壳Logo段差测量成为一个具有挑战性的精密测量问题。

2. 手机壳相关技术标准简介

在对手机壳，特别是Logo段差和表面质量进行评估时，我们需要关注几个关键的几何参数。虽然没有一个专门针对“手机壳Logo段差”的独立国际标准，但其测量原理和评价方法通常会参考以下几种通用参数：

• 段差（Step Height）：段差指的是两个相邻表面之间垂直高度的差异。对于手机壳Logo，它可能是Logo表面与壳体表面之间的浮雕或凹陷高度。评价方法通常是选择Logo区域和其相邻的基准区域，测量这两个区域的平均高度，然后计算两者之差。这个参数直接反映了Logo的立体感和制造工艺的精准度。

• 表面粗糙度（Surface Roughness）：表面粗糙度描述的是物体表面微观不平整的程度。它对手机壳的触感、视觉效果以及耐磨性都有重要影响。常用的评价参数有：

  • 算术平均偏差（Ra）：这是轮廓偏离中线算术平均值的绝对值。可以想象成把所有凸起和凹陷的面积折叠起来，然后除以测量长度，得到平均的“毛糙”程度。

  • 最大轮廓高度（Rz）：指在取样长度内，最大的轮廓峰高和最大的轮廓谷深之和。它反映了表面上最显著的凸起和凹陷。

  • 表面粗糙度通常通过获取表面轮廓线数据，然后通过特定的算法进行计算和评估。

• 平面度（Flatness）：平面度是指物体表面的实际形状相对于一个理想平面的偏差程度。对于手机壳Logo的背景区域，良好的平面度可以保证Logo的规整性，避免出现变形或波浪状的视觉效果。评价方法通常是在一个指定区域内，测量所有点的最高点和最低点之差，这个差值越小，平面度越好。

这些参数的精确测量和控制，是确保手机壳，特别是其Logo部分，达到高质量标准的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在精密测量领域，尤其是面对多材质、高反光表面的段差和粗糙度检测，目前市场上主要有几种非接触式光学测量技术，以及一种高精度的接触式测量技术。每种技术都有其独特的工作原理、优缺点和适用场景。

3.1.1 色散共焦测量技术

色散共焦测量技术，也常被称为光谱共焦技术，是一种非常适合解决多材质和高反光表面测量难题的技术。它的核心思想是利用白光经过特殊光学系统后，不同波长的光在空间中会形成不同的焦点。

工作原理和物理基础：想象一下，当你用棱镜分解白光时，会看到彩虹。色散共焦技术就是利用了类似的光学色散效应。一个宽光谱（白光）的光源发出的光线，通过一个特殊的色散物镜后，不同波长的光（比如红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫）会被折射到不同的焦点位置上，形成一个沿着测量轴线（Z轴）的“光谱焦点栈”。当被测物体表面处于这个焦点栈的某个位置时，只有特定波长的光束会精确聚焦在表面上，并被表面反射回来。这束反射光再通过一个共焦针孔（只允许聚焦光通过的小孔），然后到达光谱仪进行分析。光谱仪会检测到反射光中强度最高的那个波长。由于每个波长都对应一个确定的焦点位置，通过识别这个“最强波长”，就能精确计算出物体表面的Z轴高度。

其核心原理可以概括为：* 色散效应：白光经过色散物镜后，根据光的波长不同，焦点位置也不同。* 共焦检测：只有聚焦在物体表面的特定波长的光能通过共焦针孔，避免了杂散光的干扰。* 波长-距离映射：通过检测反射光的最强波长，结合预先校准的波长-距离关系，即可确定被测点的高度。

这个原理使其具备出色的多材质和高反光适应性。对于高反光表面，如镜面，它能有效接收镜面反射回来的聚焦光，而不是像一些传感器那样被强烈的散射光干扰。对于多层透明材料，比如多层镀膜的手机壳，不同层界面处的折射率差异会导致光线在这些界面处反射。色散共焦技术可以识别多个波峰，从而实现单次测量多层厚度的能力，就像医生通过B超观察多层组织一样。

核心性能参数的典型范围：* 分辨率：可达到纳米级（如1nm）。* 精度：最高可达测量量程的±0.01%F.S.，或绝对精度达±0.01μm。* 量程：从微米级到数毫米（如±55μm至±5000μm）。* 采样频率：最高可达数十kHz（如33,000Hz），实现高速在线检测。* 光斑尺寸：最小可达微米级（如2μm），能够检测精细特征。

技术方案的优缺点：* 优点： * 多材质适应性强：能稳定测量镜面、玻璃、金属、陶瓷、塑料等各种反射、漫反射、透明或半透明材料。 * 抗高反光干扰能力强：共焦原理有效抑制了高反光带来的散射光和信号饱和问题。 * 可测量多层结构：单次测量可识别多层材料的界面位置，并直接计算各层厚度，无需已知折射率。 * 高精度和高分辨率：尤其在垂直方向上表现出色。 * 非接触测量：对工件无损伤。* 缺点： * 成本较高：相对于一些传统测量方法，初期投入较大。 * 对环境要求较高：对振动和温度变化敏感，可能需要额外的稳定措施。 * 测量倾角有限：虽然特殊设计可达较大倾角，但通常不如漫反射专用传感器。

3.1.2 激光共焦扫描技术

激光共焦扫描技术与色散共焦有异曲同工之处，但其实现方式和侧重点有所不同。它通常使用单一波长的激光作为光源。

工作原理和物理基础：这种技术的核心是一个共焦光学系统，就像一束极其细小的激光手电筒，只照亮物体表面一个极小的点。同时，它的接收器前方也带有一个微小的“针孔”，这个针孔精确地与激光的焦点对齐。这意味着，只有当激光束恰好聚焦在被测物体表面时，反射回来的光线才能穿过针孔，并被探测器接收到。而来自焦点之外的任何杂散光或离焦光，都会被针孔阻挡，无法到达探测器。为了获取整个表面的三维形貌，传感器需要沿着Z轴（垂直方向）快速扫描，同时记录每个Z轴位置的光强。当激光聚焦到工件表面时，光强度会达到最大值。系统会记录下此时的Z轴位置，从而精确地测量出该点的表面高度。通过在X-Y平面上进行扫描，并重复上述Z轴测量过程，就可以构建出被测工件的完整三维轮廓。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：通常在几毫米到十几毫米。* 线性度：可达±0.05% F.S.。* 重复精度：通常在亚微米级或更高。* 采样速度：中等偏高，最高可达数十kHz。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度：能够稳定测量微小的段差和复杂形状表面。 * 高速非接触测量：适用于产线上的在线批量检测。 * 对表面粗糙度变化适应性较好：共焦原理有助于减少表面纹理的干扰。* 缺点： * 对高反光表面可能仍有挑战：镜面反射光可能过于集中，导致信号饱和或丢失。 * 无法直接测量多层透明材料：通常只能测量最上层或最强反射层。 * 测量范围相对有限：通常适用于较小的段差和形貌。

3.1.3 白光干涉测量技术

白光干涉测量技术以其超高的垂直分辨率，在微纳级别的表面形貌测量中占据重要地位。

工作原理和物理基础：白光干涉仪的核心是一个迈克尔逊干涉仪的变体。它将一束宽带光源（白光，比如卤素灯）发出的光分成两路：一路射向被测样品表面，另一路射向一个已知平整度的参考镜。这两束光从样品和参考镜反射回来后，会在探测器上重新汇合，形成干涉图样。白光的特点是其相干长度非常短（通常只有几个微米）。这意味着，只有当样品表面和参考镜的光程差（距离差）在白光的相干长度之内时，才会产生清晰、高对比度的干涉条纹。当光程差超出这个范围时，干涉条纹就会变得模糊甚至消失。通过对样品或参考镜进行精确的垂直（Z轴）扫描，并在每个扫描位置记录干涉图样，系统可以找到每个点上干涉条纹对比度最高的Z轴位置。这个位置就是该点的表面高度。通过对整个区域进行扫描，即可构建出超高精度的三维表面形貌，包括段差、粗糙度等。

核心性能参数的典型范围：* 垂直分辨率：极高，可达亚纳米级。* 测量重复性：极佳，通常在纳米级以下。* 视场范围：根据物镜选择，典型可达数毫米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 垂直分辨率极高：能够实现纳米级甚至亚纳米级的测量，对于极端精密的表面测量不可替代。 * 非接触：避免对样品造成损伤。 * 可测量大面积：通过拼接可以测量较大区域。* 缺点： * 测量速度相对较慢：需要进行Z轴扫描和图像处理。 * 对环境要求极高：对振动、温度、灰尘非常敏感，通常需要在实验室环境下使用。 * 对样品表面倾角要求严格：过大的倾角会导致干涉条纹无法形成或难以识别。 * 对高反光和透明材质的测量有局限性：高反光可能导致光强过高，透明材质则可能产生复杂的干涉信号。

3.1.4 触针式轮廓测量技术

触针式轮廓测量是一种传统的接触式测量方法，虽然不是光学测量，但在超高精度段差和粗糙度测量中仍有其不可替代的优势。

工作原理和物理基础：这种技术模拟了人手触摸物体表面的感觉，但以微米甚至纳米级的精度进行。一个极其精细的钻石触针（通常尖端半径只有几微米）被安装在一个高灵敏度的传感器（如电感或电容传感器）上。当系统驱动触针以恒定、缓慢的速度在被测样品表面上滑动时，触针会沿着表面的微观起伏上下移动。触针的这些微小垂直位移会被传感器精确地捕捉并转换为电信号。这些电信号经过放大和数字化处理后，就形成了被测表面在触针扫描路径上的二维轮廓数据。通过对这些轮廓数据进行数学分析，就可以计算出表面的粗糙度（如Ra、Rz）、波纹度以及特定路径上的段差高度等参数。

核心性能参数的典型范围：* 垂直分辨率：非常高，可达亚纳米级。* 测量范围 (Z轴)：可达数毫米。* 测量重复性：极佳，通常在纳米级以下。* 横向测量长度：可达数百毫米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 测量精度极高：尤其在垂直分辨率和重复性方面，被认为是业界标准。 * 测量原理直观可靠：直接获得表面轮廓数据。 * 不受材料光学特性影响：不依赖于光的反射或透射，适用于任何坚硬材质。* 缺点： * 接触式测量：触针可能会对柔软或精密的表面造成划痕或损伤，不适用于所有应用。 * 测量速度慢：触针需要缓慢移动，不适合在线高速检测。 * 只获得二维轮廓：需要多次扫描才能构建三维形貌，效率低。 * 探针磨损：探针尖端会磨损，需要定期校准和更换。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在精密测量领域知名的品牌及其采用的技术方案。

• 日本基恩士（采用激光共焦扫描技术）

  • 核心技术参数：测量范围10 mm；线性度±0.05% F.S.；重复精度0.005 µm (标准模式), 0.001 µm (高精度模式)；采样速度最大16 kHz。

  • 应用特点和独特优势：日本基恩士在自动化传感器领域经验丰富，其激光共焦扫描产品易用性强，集成度高。它能够进行高精度、高速的非接触测量，尤其适合在生产线上对微小段差和复杂形状表面进行批量检测，在追求高效率和稳定性的工厂环境中表现突出。

• 德国米克罗恩（采用色散共焦原理）

  • 核心技术参数：测量范围20 mm；测量频率最高70 kHz；分辨率0.02 µm (测量范围2mm时)；线性度±0.2% F.S.。

  • 应用特点和独特优势：德国米克罗恩在非接触式位移和距离传感器领域技术积累深厚。其色散共焦产品以极高的测量速度和分辨率著称，尤其适用于各种表面类型，包括反射、透明和粗糙表面。这使得它在工业自动化和质量控制中，面对如手机壳Logo段差这种多材质、高反光、甚至可能含透明层的复杂测量场景时，具有显著优势。

• 美国布鲁克（采用白光干涉测量技术）

  • 核心技术参数：垂直分辨率0.1 nm；测量重复性<0.75 nm (RMS)；视场范围根据物镜选择，典型可达数毫米。

  • 应用特点和独特优势：美国布鲁克作为全球领先的科学仪器公司，其白光干涉测量仪提供极高的垂直分辨率和精度。这使其成为测量微纳级别表面形貌、粗糙度和段差的理想工具。它在高精度质量控制和研发阶段表现卓越，能够提供非常详细的表面数据，但通常对测量环境要求较高，更适合实验室应用。

• 英国泰勒霍普森（采用触针式轮廓测量技术）

  • 核心技术参数：垂直分辨率0.1 nm；测量范围 (Z轴)最高可达8 mm；测量重复性<0.1 nm (RMS)；横向测量长度最长可达200 mm。

  • 应用特点和独特优势：英国泰勒霍普森在表面形貌和圆度测量领域拥有百年历史，其触针式轮廓测量仪是业界公认的精度标杆。它能够提供纳米级的高精度二维轮廓测量，在超精密加工和计量实验室中是不可或缺的工具。尽管是接触式测量，但其在某些需要极高精度段差和粗糙度测量的超精密应用中仍具有独特优势，特别适合作为校准或仲裁测量设备。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为手机壳Logo段差测量这类应用选择传感器时，需要综合考虑多个技术指标，它们直接关系到测量结果的可靠性和效率。

• 分辨率（Resolution）：

  • 实际意义：分辨率指的是传感器能够检测到的最小高度变化。就像数码相机的像素一样，分辨率越高，能捕捉到的细节越精细。

  • 对测量效果的影响：如果手机壳Logo的段差或表面粗糙度变化非常微小（例如几微米甚至纳米级），那么高分辨率的传感器是必不可少的。否则，微小的段差可能无法被识别，导致测量结果不准确。

  • 选型建议：对于手机壳Logo这种要求微米甚至纳米级段差的应用，应选择分辨率在亚微米或纳米级的传感器，如光谱共焦或白光干涉传感器。

• 精度（Accuracy）和重复精度（Repeatability）：

  • 实际意义：精度是指测量结果与真实值之间的接近程度。重复精度是指在相同条件下，多次测量同一目标点时，测量结果之间的一致性。

  • 对测量效果的影响：高精度确保测量结果的真实性，高重复精度则保证测量的稳定性。在生产线上，重复精度尤为重要，它决定了产品是否能被稳定地检测出合格或不合格。

  • 选型建议：选择精度和重复精度都在微米级以下，最好能达到亚微米甚至纳米级的传感器。对于在线检测，重复精度应作为首要考量。

• 测量量程（Measurement Range）：

  • 实际意义：传感器能够测量的最大高度范围。

  • 对测量效果的影响：如果Logo的段差变化较大，或者需要同时测量Logo及其周围大面积的平整度，就需要足够大的量程。

  • 选型建议：根据手机壳Logo实际的段差高度和需要测量的垂直范围来选择。

• 采样频率（Sampling Frequency）：

  • 实际意义：传感器每秒钟可以采集多少个数据点。

  • 对测量效果的影响：采样频率越高，测量速度越快，这对于提高生产线效率至关重要。

  • 选型建议：对于高速在线检测，应优先选择采样频率高的传感器。

• 光斑尺寸（Spot Size）：

  • 实际意义：传感器激光或光束在物体表面形成的测量点大小。

  • 对测量效果的影响：光斑尺寸越小，能检测到的细节越精细，尤其对于细小Logo边缘或微观粗糙度测量至关重要。

  • 选型建议：测量精细Logo时，选择光斑尺寸小的传感器，但要注意光斑过小可能对粗糙表面的测量稳定性有影响。

• 多材质适应性和高反光材质抗干扰能力：

  • 实际意义：传感器能否稳定测量不同颜色、不同反射率的材料（如塑料、玻璃、金属、镜面），以及面对镜面高反光时是否能有效获取数据。

  • 对测量效果的影响：这是手机壳Logo测量的核心挑战。如果传感器无法适应多材质或高反光，就无法进行有效测量。

  • 选型建议：优先选择光谱共焦传感器，其原理使其天然具备这些优势。确保产品详细信息中明确注明对镜面、玻璃等高反光材质的适应性。

• 最大可测倾角（Maximum Measurable Tilt Angle）：

  • 实际意义：传感器能够稳定测量的最大表面倾斜角度。

  • 对测量效果的影响：手机壳Logo可能存在弧面或斜面设计，如果传感器对倾角敏感，则无法有效测量。

  • 选型建议：根据Logo区域可能存在的倾斜角度，选择具有较大可测倾角的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在将高精度传感器应用于手机壳Logo段差测量时，虽然先进技术能解决大部分问题，但仍然可能遇到一些挑战。

• 问题1：高反光材质导致的测量不稳或数据缺失

  • 原因及影响：手机壳表面，尤其是Logo区域，经常采用高光、镜面或金属质感设计。这种表面会导致入射光线以镜面反射为主，如果传感器接收角度不当，反射光可能无法全部返回接收器，导致信号弱或丢失；或者反射光过于集中，导致传感器饱和。这会使测量结果不稳定，甚至在某些区域无法获取数据。

  • 解决建议：

    1. 选择色散共焦传感器：这类传感器由于其共焦原理，对高反光材质的适应性更强，能有效抑制杂散光，获取稳定的焦点信号。

    2. 调整传感器角度：在条件允许下，微调传感器与被测表面之间的角度，使其接收到尽可能多的有效反射光。

    3. 使用偏振或积分球配件：对于极端高反光，可以考虑在探头前加装偏振片或使用积分球附件来均匀化反射光，但可能会牺牲一部分测量速度或精度。

    4. 优化光源强度：有些传感器支持调节光源强度，可以尝试降低或提高光强，以获得最佳的信号强度。

• 问题2：多材质界面处测量结果不准确

  • 原因及影响：手机壳Logo可能由不同材质镶嵌而成，例如金属Logo嵌入塑料壳。不同材质的折射率和反射率差异很大，在材料交界处，传感器的光斑可能同时覆盖两种材料，导致测量信号混合，从而影响高度数据的准确性。

  • 解决建议：

    1. 利用光谱共焦的多层测量能力：光谱共焦传感器能够识别不同材料界面的信号，即使光斑覆盖两种材料，也可以通过分析光谱特征来区分，并准确测量每个界面的高度。

    2. 减小光斑尺寸：选择具有更小光斑尺寸的传感器，可以确保测量点更精确地落在单一材料上，减少交界处的混合信号。

    3. 精确对齐测量路径：通过高精度的运动控制系统，确保测量光斑沿着Logo的中心或边缘精确扫描，避免不必要的跨界测量。

• 问题3：表面粗糙度对段差测量的影响

  • 原因及影响：手机壳Logo及其背景可能并非理想光滑平面，存在一定的表面粗糙度。这种粗糙度会导致测量点的高度值波动，从而影响段差计算的准确性。

  • 解决建议：

    1. 数据滤波：在软件层面应用高斯滤波、中值滤波或滑动平均等数据处理算法，平滑测量数据中的高频粗糙度噪声，提取出更稳定的段差信息。

    2. 定义清晰的测量区域：在Logo区域和非Logo区域，各取一块平稳的代表性区域进行高度平均，然后计算段差，减少局部粗糙度波动的影响。

    3. 选择合适的光斑尺寸：对于粗糙表面，过小的光斑可能导致测量值波动过大，适当增大光斑尺寸（在不牺牲细节的前提下）可以对局部粗糙度进行平均。

• 问题4：生产线环境振动引起的测量误差

  • 原因及影响：在自动化生产线上，机器运行、物料传输等都会产生振动，这些微小的振动会使被测物体与传感器之间的相对位置发生瞬时变化，导致测量数据波动，影响精度和重复性。

  • 解决建议：

    1. 使用高采样频率传感器：高采样频率的传感器可以在短时间内采集大量数据，通过平均处理可以有效降低随机振动的影响。

    2. 加装减震装置：在传感器安装位置或工件夹具下方加装气浮式或弹性减震垫，物理隔离振动。

    3. 优化固定夹具：确保手机壳在测量时被牢固、稳定地夹持，减少自身晃动。

    4. 编码器同步采集：对于扫描测量，如果配合编码器同步采集，可以精确关联Z轴高度与X-Y位置，减少运动误差。

4. 应用案例分享

• 3C电子产品质量控制：在手机、平板电脑等3C产品的生产中，光谱共焦传感器可用于精确测量显示屏玻璃、摄像头模组盖板的多层厚度，以及外壳Logo的段差和表面粗糙度，确保产品外观和装配精度。

• 半导体晶圆检测：在半导体制造过程中，光谱共焦传感器能够对晶圆的厚度、平整度、沟槽深度和倾斜度进行纳米级检测，这对提高芯片良品率至关重要。

• 光学镜片精密测量：用于测量各类光学镜片的厚度、平面度、弧高以及蓝玻璃等精密光学元件的形貌，保证光学系统的性能和成像质量。

• 新能源电池制造检测：在锂电池生产中，可用于测量电池封边厚度、铜箔厚度以及石墨导热膜厚度的一致性，确保电池的封装质量和热管理性能。

• 精密金属件加工检测：广泛应用于精密制造领域，对金属件的台阶高度差、孔深度、螺纹孔深度等进行高精度测量，并可进行轮廓扫描以评估复杂形状的几何尺寸。