如何在光学制造中高效实现多层复合镜片亚微米级层厚及内部缺陷的非接触在线检测？【自动化, 质量控制】

多层复合镜片，顾名思义，是由多层不同材料或相同材料通过特定工艺复合而成的一种精密光学元件。它的结构就好比一个“光学千层饼”，每一层材料都有其独特的光学特性和物理厚度，层与层之间则有清晰的界面。常见的例如相机镜头中的多层镀膜镜片、复合光学滤光片、以及一些特殊功能性的光学窗口。

1. 基于多层复合镜片的基本结构与技术要求

对于多层复合镜片来说，其基本结构是各层材料的堆叠。例如，一个典型的复合镜片可能包含基底玻璃层、防反射膜层、硬化层、疏水层等。每一层的厚度可能从几纳米到几毫米不等，但很多关键的功能层（比如镀膜）厚度都要求在微米甚至纳米级别。

对多层复合镜片进行质量控制，主要关注以下几个方面：

• 各层厚度均匀性：每一层的厚度都必须精确，而且在整个镜片表面上要高度均匀。想象一下，如果制作一个高精度车床，每一段的精度都需要很高，任何一点的偏差都可能导致最终加工的误差。在复合镜片中，哪怕某一层厚度有微米级的不均匀，都可能导致光学性能下降，比如出现像差、眩光或透射率不一致。

• 层间界面质量：层与层之间的结合是否紧密，是否存在气泡、杂质、分层或光学缺陷。这些界面就好比建筑中预制板之间的连接，任何空隙或不平整都会影响整体结构的稳定性和功能。

• 总厚度控制：整个复合镜片的总厚度需要满足设计要求，这直接影响到其在光学系统中的安装和聚焦性能。

• 表面形貌与粗糙度：镜片表面的平整度、曲率以及微观粗糙度也至关重要，这些决定了光的反射、折射效果。

要实现这些微米级甚至纳米级的精度要求，传统的接触式测量方法往往会损伤镜片表面，或者无法穿透材料对内部层进行检测。因此，非接触式测量技术是必不可少的。

2. 针对多层复合镜片的相关技术标准简介

针对多层复合镜片的质量控制，通常会涉及一些关键的监测参数，这些参数的定义和评价方法是行业内进行质量检验的依据。

• 厚度 (Thickness)：这是最直接的参数，指材料在垂直于表面方向的尺寸。对于单层透明材料，可以测量其几何厚度；对于多层材料，则需要测量每一层的单独厚度以及总厚度。评价方法通常是通过测量多个点来评估其均匀性和与设计值的偏差。

• 总厚度变化 (TTV - Total Thickness Variation)：这是评估镜片整体厚度均匀性的重要指标，计算方式通常是测量区域内最大厚度值与最小厚度值之差。TTV值越小，说明镜片厚度越均匀。

• 局部厚度波动 (LTW - Local Thickness Variation)：关注的是镜片局部区域的厚度变化，例如在某个小范围内是否存在突然的厚度突变或梯度。这可以通过对测量数据进行滤波或区域分析来得到。

• 平面度/曲率 (Flatness/Curvature)：描述镜片表面相对于理想平面或曲面的偏差。通过获取表面三维数据，与理论模型进行比较来评价。

• 表面粗糙度 (Ra - Roughness Average)：衡量镜片表面微观不平整程度的指标，通常指在取样长度内，所有点到中心线的距离的绝对值的算术平均值。对于光学元件，极低的表面粗糙度是确保光学性能的基础。

• 层间间隙/缺陷 (Interlayer Gap/Defect)：检测层与层之间是否存在空气间隙、异物、气泡或分层等缺陷。评价方法通常是基于传感器信号的异常波动或图像分析。

3. 实时监测/检测技术方法

对多层复合镜片进行微米级精度的非接触式测量与质量控制，需要依赖一系列先进的光学测量技术。市面上主要有几种技术方案，它们各有特点和适用场景。

（1）、市面上各种相关技术方案

a. 光谱共焦测量技术

光谱共焦技术是一种利用光的色散效应和共聚焦原理进行距离和厚度测量的非接触式方法。它通过精巧的光学设计，让不同波长的光在空间上具有不同的焦点位置，形成一个“彩色焦点列”。

工作原理与物理基础：想象一下，我们有一束包含所有颜色（白光）的光线。通过一个特殊的镜头，这束光被“分散”开来，使得红色光聚焦在离镜头最远的位置，蓝色光聚焦在最近的位置，而其他颜色的光则依次聚焦在它们之间，形成一条彩色的焦点线。当我们将这个“彩色焦点列”投射到被测物体表面时，只有当某个特定颜色的光线刚好聚焦在物体表面时，它才会被强烈地反射回传感器。传感器内部有一个分光装置和高灵敏度探测器，能够精确识别反射回来的光线的波长。由于每个波长都对应着一个独特的焦点位置，我们通过检测到反射光的波长，就能精确地知道物体表面的距离。

对于多层复合镜片，当光束穿透第一层透明介质，遇到下一个界面时，同样会有部分光反射回来。传感器能“看到”不同界面反射回来的光，这些反射光对应的波长就揭示了每个界面的位置。通过计算这些不同波长对应的焦点位置之差，就可以得出各个层的光学厚度。如果需要获得几何厚度，则需要知道材料的折射率，或者通过特定算法进行换算。光学厚度 (Optical Path Length, OPL) 与几何厚度 (d) 和折射率 (n) 的关系为：OPL = n * d。

核心性能参数典型范围：* 分辨率：可达1纳米至几十纳米。* 精度：最高可达测量范围的±0.01%F.S.，或绝对精度±0.01微米。* 采样频率：从几千赫兹到几十千赫兹不等。* 光斑尺寸：最小可达2微米，高精度型号通常在10微米左右。* 厚度测量能力：最小可测厚度可达5微米，最大可达数万微米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触、高精度：不会损伤被测物，测量精度高。 * 多层测量：能够穿透透明材料，一次性识别并测量多层不同介质的厚度，非常适合复合镜片。 * 材质适应性强：对多种材质均能稳定测量，且对表面倾斜度不敏感（可测倾角大）。 * 不受表面粗糙度影响小：共聚焦原理能有效抑制来自非焦点区域的杂散光干扰。 * 无需折射率：部分先进系统通过算法可以直接测量几何厚度，简化了操作。* 缺点： * 量程相对有限：相比一些长量程测量技术，光谱共焦的测量量程通常较小，适用于高精度微观测量。 * 受环境光影响：对强烈的环境光可能需要采取遮蔽措施。 * 成本较高：由于其光学元件和探测器的复杂性，设备成本相对较高。

b. 相干扫描干涉法 (CSI)

相干扫描干涉法，也常被称为白光干涉或白光干涉仪，是一种利用光的干涉现象进行高精度表面形貌和厚度测量的技术。

工作原理与物理基础：这种技术类似于我们小时候玩的肥皂泡，在阳光下会显示出五颜六色的光环，这就是光的干涉现象。CSI系统会发射一束宽光谱（白光）的光，将其分成两路：一路照向被测物体表面，另一路则照向一个内部的参考镜。当这两束光反射回来并重新汇合时，如果它们的“路程差”非常接近，并且在这个路程差范围内，它们的光波能保持一致性（也就是“相干性”），那么它们就会相互叠加，形成明暗相间的干涉条纹。通过垂直扫描（移动传感器或样品），系统会找到干涉条纹最清晰、对比度最高的那个位置，这表明此时被测表面与参考镜的距离是最佳匹配的。通过记录这个位置，就能精确计算出物体表面的高度信息。对于透明材料，它能测量上下表面的光程差。

核心性能参数典型范围：* 垂直分辨率：纳米甚至亚纳米级别，例如0.01纳米 (RMS)。* 垂直测量范围：通常在几毫米到十几毫米，例如最高10毫米。* 测量时间：对于全场测量，可能需要几秒钟。* 视场：通常为毫米级别，例如最大2.8 x 2.8毫米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 纳米级分辨率：在垂直方向上具有极高的分辨率，非常适合精细表面形貌测量。 * 全场测量：一次性可以获取一个区域的三维表面数据，效率较高。 * 非接触：避免对样品造成损伤。 * 对透明材料效果出色：能穿透透明材料，测量光学厚度。* 缺点： * 对振动敏感：由于干涉测量对环境非常敏感，需要稳定的测量环境。 * 测量速度相对较慢：相比一些点扫描技术，全场扫描可能耗时较长。 * 受表面反射率影响：对于低反射率或高吸收率的材料测量可能存在困难。 * 通常用于实验室或离线检测：不适合高速在线生产线。

c. 光学相干断层扫描 (OCT)

光学相干断层扫描 (OCT) 是一种利用低相干光干涉原理进行深度剖析和结构成像的技术。它有点像医学上的B超，但用的是光而不是声波。

工作原理与物理基础：OCT系统发射出一束低相干光束，比如像一个很短的光脉冲。这束光被分成两路：一路作为参考光，照向一个已知距离的参考镜；另一路则照向待测物体。当光线进入透明或半透明的物体内部时，会在不同深度（即遇到不同层界面或内部结构）发生反射。这些从物体内部不同深度反射回来的光，会与参考光发生干涉。通过分析干涉信号的“时间延迟”和“强度”，系统能够重建物体内部的层状结构，并精确测量各层的厚度。轴向分辨率 (Δz) 主要取决于光源的中心波长 (λ_0) 和光谱带宽 (Δλ)，近似公式为：Δz ≈ λ_0^2 / (2 * n * Δλ)，其中n是介质的折射率。

核心性能参数典型范围：* 轴向分辨率：通常在1微米至15微米之间。* 测量深度：可达1毫米至20毫米。* 扫描速度/采样频率：从几千赫兹到几十万赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高速、非接触、非破坏性：适合在线检测，不会损伤样品。 * 深度剖析能力：能够穿透透明和半透明材料，直接“看”到物体内部的层状结构，并进行精确厚度测量。 * 可进行缺陷检测：除了厚度，还能发现内部的气泡、裂纹等缺陷。 * 提供截面图像：能生成类似CT扫描的二维或三维图像，直观显示内部结构。* 缺点： * 穿透深度有限：对于不透明或强散射材料，穿透深度会受到限制。 * 横向分辨率：横向分辨率不如某些显微技术高，取决于聚焦光斑大小。 * 成本较高：系统相对复杂，成本也较高。

d. 激光扫描测微计

激光扫描测微计是一种通过激光束扫描来测量物体几何尺寸的非接触式方法。它更像是一个“光标卡尺”。

工作原理与物理基础：想象有一个激光手电筒，它发射出一束非常细、非常直的平行激光束。在手电筒的对面，有一个接收器。如果之间没有任何阻挡，激光束会完全被接收器接收。现在，我们把要测量的物体放在激光束和接收器之间，激光束会被物体遮挡一部分。激光扫描测微计的原理就是利用一个高速旋转的镜子（或者其他扫描装置）来让这束平行的激光束像扫描仪一样快速地扫过被测物体。当物体阻挡激光束时，接收器会检测到激光强度发生变化。通过精确测量激光束被遮挡的“时间”或者“长度”，再结合激光束的扫描速度，就能非常准确地计算出物体的尺寸。对于光学镜片，可以通过测量镜片边缘的遮挡长度来计算其外径，或者通过两个相对的探头测量镜片两个表面的位置来计算其总厚度。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：从几十毫米到数百毫米。* 重复精度：通常在±0.01微米至±0.1微米。* 分辨率：可达0.01微米。* 采样频率：从几千赫兹到几十千赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高重复精度和稳定性：非常适合高精度尺寸测量。 * 高速在线检测：扫描速度快，可以集成到自动化生产线。 * 对被测物振动和位置变化具有较强适应性：测量的稳定性和可靠性高。 * 可同时测量多种尺寸参数：如外径、缝隙、总厚度等。* 缺点： * 无法穿透透明材料：它测量的是物体的外部轮廓或总厚度，不能识别内部各层的厚度。 * 不适合复杂形貌测量：主要用于规则形状物体的尺寸测量。 * 只能测量整体厚度：需要两个对射的传感器来测量光学镜片的总厚度，但无法区分多层复合镜片内部各层的厚度。

（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具有代表性的品牌及其采用的技术方案。

• 德国米铱： 德国米铱是光谱共焦测量技术领域的知名品牌。其产品，如confocalDT系列，采用色散共聚焦原理，通过白光光源和特殊光学元件将不同波长的光聚焦在不同深度，通过分析反射光的波长来精确测量距离和厚度。

  • 核心参数：测量范围最高可达28毫米；线性度±0.3 µm (取决于测量范围)；分辨率0.003 µm；测量频率70 kHz。

  • 应用特点和优势：以其极高的测量精度和分辨率、高速在线测量能力而闻名。特别适用于透明和多层材料的厚度测量，对表面材质和倾斜度不敏感，易于集成到自动化生产线，尤其在3C电子、半导体等领域有广泛应用。

• 美国Zygo： 美国Zygo在相干扫描干涉法 (CSI) 领域具有领导地位。其ZeGage Pro等产品利用白光干涉技术，通过对样品表面进行垂直扫描并分析干涉条纹的相干性，实现纳米级的表面形貌和光学厚度测量。

  • 核心参数：垂直分辨率0.01 nm (RMS)；垂直测量范围最高10毫米；测量时间几秒 (全场测量)；视场最大2.8 x 2.8 mm。

  • 应用特点和优势：提供纳米级表面形貌和光学厚度测量能力，非接触式，精度极高。在透明材料内部结构和厚度方面表现出色，广泛应用于研发和高精度质量控制领域，尤其适合实验室环境下的精密分析。

• 加拿大诺瓦卡姆： 加拿大诺瓦卡姆专注于光学相干断层扫描 (OCT) 技术。其MR系列产品通过发射低相干光束，并利用干涉原理分析从物体内部不同深度反射回来的光信号，从而重建物体内部的层状结构并测量各层厚度。

  • 核心参数：轴向分辨率1-15 µm (取决于型号)；测量深度1-20 毫米；扫描速度最高200 kHz；采样频率20 kHz-200 kHz。

  • 应用特点和优势：具有高速、非接触、非破坏性测量的特点，能够有效穿透透明和半透明材料，实现多层结构厚度测量和内部缺陷检测。在光学镜片和薄膜的精确厚度控制以及生物医学成像等领域有突出表现。

• 日本基恩士： 日本基恩士以其激光扫描测微计产品，如LS-9000系列，在尺寸测量领域占据重要地位。该系统发射平行激光束扫描物体，通过测量被遮挡的时间或长度来精确计算物体尺寸。

  • 核心参数：测量范围最大100毫米；重复精度±0.03 µm；分辨率0.01 µm；采样频率16 kHz。

  • 应用特点和优势：以极高的重复精度和稳定性、高速在线检测能力著称。对被测物的振动和位置变化适应性强，可同时测量外径、总厚度、缝隙等多种尺寸参数，适用于需要高速、高精度几何尺寸检测的生产线。

（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

选择合适的测量设备，就像选择趁手的工具，需要结合具体需求来考量。对于多层复合镜片的非接触式测量，以下几个技术指标尤为关键：

• 分辨率 (Resolution)：这是传感器能识别的最小变化量。比如，1纳米的分辨率意味着传感器能分辨出1纳米的高度差异。对于微米级精度要求的复合镜片，纳米级分辨率是基础。

  • 实际意义：分辨率决定了你能“看”得多细。如果你的镜片层厚变化只有几十纳米，但你的传感器分辨率只有1微米，那么这些细微变化就无法被捕捉到。

  • 选型建议：如果目标是测量纳米级厚度的薄膜或极其微小的形貌变化，应选择分辨率在数纳米甚至亚纳米级别的传感器（如CSI）。如果主要测量微米级层厚，那么几十纳米分辨率的传感器也能满足需求（如光谱共焦或OCT）。

• 精度 (Accuracy)：精度指的是测量结果与真实值之间的接近程度。它代表了测量的可靠性。

  • 实际意义：精度高，你的测量结果就越可信。精度越高，测量值与真实值的偏差越小，这直接关系到产品是否能达到设计要求。

  • 选型建议：复合镜片的核心要求就是微米级甚至亚微米级的层厚控制，因此精度是重中之重。选择线性精度高的设备。光谱共焦技术能够实现较高的测量精度，有些型号的线性精度甚至可以达到±0.01%F.S.。

• 采样频率 (Sampling Frequency)：指传感器每秒能进行多少次测量。

  • 实际意义：采样频率决定了测量速度。在自动化生产线上，越高的采样频率意味着更快的检测速度，可以缩短生产周期，实现100%在线检测。

  • 选型建议：如果是在线高速生产线，需要达到高产量，选择采样频率在几千赫兹到几十千赫兹以上的设备（如光谱共焦或激光扫描测微计）。如果是离线或研发阶段的精细分析，对速度要求不高，可以适当放宽。

• 光斑尺寸 (Spot Size)：测量光束在被测物表面形成的最小光斑直径。

  • 实际意义：光斑尺寸决定了测量的空间分辨率和对细节的捕捉能力。光斑越小，能测量到的细节就越精细，也越能精确地定位测量点，避免测量到不希望的区域。

  • 选型建议：对于微小特征或精密层界面的测量，选择光斑尺寸在几微米甚至更小的传感器。例如，测量2微米宽的深沟槽，就需要光斑尺寸小于2微米。

• 多层测量能力：指传感器一次测量能识别并测量多少层不同介质的能力。

  • 实际意义：对于多层复合镜片，这是最核心的功能之一。能够一次性测量多个层厚，大大简化了测量流程，提高了效率。

  • 选型建议：务必选择具有多层测量能力的传感器，如光谱共焦或OCT技术。需要确认其最大可识别层数是否满足复合镜片的层数要求。

• 厚度测量能力 (Minimum/Maximum Thickness)：传感器能测量的最小和最大层厚。

  • 实际意义：确保传感器能覆盖复合镜片中最薄和最厚的层。

  • 选型建议：根据复合镜片各层的实际厚度范围来选择。例如，如果你的最薄层只有5微米，传感器就必须支持5微米或更小的厚度测量。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，即使选择了高性能的传感器，也可能遇到各种问题，影响测量结果的准确性和稳定性。

• 问题一：环境光干扰

  • 原因与影响：光谱共焦等光学测量系统在探测微弱反射光信号时，如果环境中的杂散光（如工厂照明、窗户透进的阳光）太强，可能会淹没传感器的有效信号，导致测量不稳定或误差增大。

  • 解决建议：

    • 遮蔽：在传感器探头和被测物周围搭建遮光罩或使用暗箱，隔绝大部分环境光。

    • 滤光片：在传感器接收端加装与光源波长匹配的窄带滤光片，只允许特定波长的光通过。

    • 光源选择：选择光源光强稳定的传感器。

• 问题二：被测物倾斜或曲面造成信号丢失

  • 原因与影响：如果复合镜片表面存在较大倾斜角或曲率，反射光可能无法按原路返回传感器接收器，导致信号弱甚至丢失，无法进行测量。

  • 解决建议：

    • 选择大倾角测量能力强的传感器：部分光谱共焦传感器能适应更大的倾斜角。

    • 调整测量姿态：通过机械臂或夹具将被测物调整到相对平整或垂直于传感器光轴的位置。

    • 多角度测量：对于复杂曲面，可以采用多个传感器从不同角度进行测量，或者配合旋转平台进行扫描。

• 问题三：透明材料折射率变化导致厚度测量误差

  • 原因与影响：对于一些依赖折射率来计算几何厚度的光学传感器，如果透明材料的折射率不是恒定值（例如受温度、批次影响），或者事先未知，就会引入几何厚度计算误差。

  • 解决建议：

    • 选择无需已知折射率的传感器：部分先进的光谱共焦传感器宣称无需已知折射率即可直接测量透明材料厚度，这大大简化了应用。

    • 校准：对于特定材料，可以通过已知标准样品的折射率进行预先校准。

    • 环境控制：控制测量环境温度，因为折射率通常会随温度变化。

• 问题四：表面脏污或划痕影响测量

  • 原因与影响：镜片表面如果沾染灰尘、油污或有划痕，这些缺陷会散射或吸收光线，导致测量光斑不清晰、信号强度下降，从而影响测量精度和重复性。

  • 解决建议：

    • 清洁环境：在洁净室或无尘环境中进行测量，定期清洁测量区域。

    • 预清洁：在测量前对复合镜片进行专业的非接触式清洁，例如使用高压气体吹扫或超声波清洗。

    • 软件滤波：传感器内置的数据处理功能（如高斯滤波、中值滤波）可以在一定程度上平滑数据，减少小范围脏污的干扰。但对于大面积或严重缺陷，仍需物理清除。

4. 应用案例分享

• 3C电子产品：在手机摄像头模组的生产中，需要精确测量多层玻璃镜片的各层厚度以及装配后的总厚度。光谱共焦传感器能够穿透多层玻璃，快速获取各层数据，确保成像质量。

• 半导体晶圆检测：半导体制造过程中，对硅晶圆、薄膜层（如氧化层、介电层）的厚度均匀性和表面平整度有极高要求。OCT或光谱共焦技术可以实现非接触、高精度的多层厚度检测，确保晶圆的生产良率。

• 光学镜片制造：高精度光学镜片（如望远镜、显微镜镜头）的研磨、抛光和镀膜环节，需要精确测量镜片的弧高、平面度及各层镀膜的厚度。光谱共焦传感器能提供纳米级精度的测量数据，帮助制造商实现精密的质量控制。

• 新能源电池制造：锂电池隔膜、电极材料等复合结构在生产过程中，对各层厚度的一致性要求很高。光谱共焦或OCT技术可用于在线监测铜箔厚度、涂层厚度等，确保电池性能稳定性和安全性。