如何对透明、高反光弧面玻璃，实现±1μm轮廓度的非接触式在线检测？【光谱共焦，精密测量】

弧面玻璃，作为精密光学元件和消费电子产品（如智能手机屏幕、车载显示屏）的重要组成部分，其轮廓度直接影响产品的光学性能、装配精度和用户体验。想象一下，一块高质量的弧面玻璃，它的表面就应该像一个完美的球体或柱体的一部分，没有任何微小的凸起、凹陷或者不均匀的扭曲。如果它的轮廓偏差过大，就像一个本应圆润的苹果表面出现了一些“坑坑洼洼”，不仅影响美观，更会带来光学畸变、触控不灵敏甚至结构应力等问题。

1. 基于弧面玻璃的基本结构与技术要求

弧面玻璃通常是指表面具有一定曲率的玻璃部件，可以是球形、非球面或自由曲面。它的基本结构看似简单，但由于其透明、易碎、高反射的特性，以及对表面质量和几何尺寸的严苛要求，使得其制造和检测都面临巨大挑战。

要评估弧面玻璃的轮廓度偏差达到±1μm的精度，意味着我们需要在微米级别甚至亚微米级别去捕捉其表面形状与理想设计模型之间的差异。这就像用一把极其精密的尺子去量一个鸡蛋的每一个点，还要确保这把尺子不能接触到鸡蛋，也不能受到光线干扰。

传统测量方法，比如使用接触式探针的坐标测量机（CMM），在测量弧面玻璃时会遇到几个难题：* 接触应力： 探针与玻璃表面接触时，可能会对玻璃造成微小划痕甚至损伤，尤其是对于精密抛光的玻璃表面，这是不可接受的。即使是最小的接触力，也可能导致弹性形变，影响测量准确性。* 测量速度与效率： CMM需要逐点测量，对于复杂弧面或需要大量数据点才能精确重建轮廓的情况，测量速度慢，效率低下，难以满足现代工业生产的节拍。* 透明材料特性： 接触式探针无法穿透透明玻璃进行内部特征或背面轮廓测量，也难以区分表面与内部缺陷。* 探针直径限制： 探针通常有一定直径，无法测量到微小的形貌细节，或在陡峭的弧面、小曲率半径区域难以准确触及。

这些局限性使得传统方法难以达到弧面玻璃所需的±1μm甚至更高的精度要求。

2. 针对弧面玻璃的相关技术标准简介

在弧面玻璃的精密检测中，有几个核心参数是必不可少的：

• 轮廓度（Profile of a Line或Profile of a Surface）： 这是评估弧面玻璃最关键的几何尺寸参数之一。它定义了被测物体实际轮廓与理想设计轮廓之间的偏差范围。

  • 定义： 轮廓度是指被测表面或线轮廓上所有点，相对于其理论几何形状允许变动的区域。可以理解为，把实际测得的轮廓线或面，与图纸上的完美模型进行对比，看它们之间的最大距离有多大。

  • 评价方法： 通常通过将实际测量得到的三维点云数据或二维轮廓曲线，与CAD设计模型进行最佳拟合，然后计算每个测量点到理想模型的法向距离。这些距离的最大值或在指定区域内的统计值（如均方根值RMS）就用来评价轮廓度。

• 曲率半径（Radius of Curvature）： 对于弧面玻璃，其曲率半径的准确性至关重要。

  • 定义： 描述了弧面弯曲程度的参数。就像自行车轮子的圆周越大，它的半径就越大，弯曲程度就越平缓。

  • 评价方法： 通常通过拟合测量点数据到标准的圆弧或球面，然后计算拟合圆弧或球面的半径。在某些情况下，还会评估不同区域的曲率半径一致性。

• 厚度及其均匀性（Thickness and Thickness Uniformity）： 特别是对于光学应用，厚度及其在整个弧面上的均匀性直接影响光线传输。

  • 定义： 厚度是指玻璃材料两个相对表面之间的垂直距离。均匀性则关注这个距离在不同位置是否一致。

  • 评价方法： 可以通过测量玻璃上多个点的厚度，然后计算其最大值、最小值、平均值以及总厚度变化（TTV，Total Thickness Variation）或局部厚度波动（LTW，Local Thickness Wave）。对于透明材料，非接触式光学方法尤其适用。

• 表面粗糙度（Surface Roughness）： 尽管轮廓度关注的是宏观形状，但微观的表面粗糙度也会影响光学性能。

  • 定义： 描述了物体表面微观不平整度的量度。就像一个光滑的镜面和一个磨砂玻璃的区别，粗糙度就是指这种微观的平滑程度。

  • 评价方法： 通常在局部小区域内进行高分辨率扫描，然后计算平均粗糙度Ra、均方根粗糙度Rq等参数。

3. 实时监测/检测技术方法

为了克服传统方法的局限性，并达到±1μm甚至更高的精度，现代工业检测普遍采用非接触式的光学测量技术。这些技术利用光波的特性来感知和量化物体的形状和尺寸，避免了接触带来的损伤和形变，并且通常具有更高的速度和精度。

（1）市面上各种相关技术方案

a. 激光三角测量技术

想象一下，你站在一个地方，用一束手电筒的光照向远处的一个物体，然后你从另一个角度观察手电筒光束在物体表面形成的光斑。当物体远近不同时，你看到的这个光斑相对于手电筒和你的观察位置，它的角度就会发生变化。激光三角测量技术就是利用这个原理来测量距离和轮廓的。

• 工作原理和物理基础： 传感器内部包含一个激光发射器（通常是点激光或线激光）和一个接收器（如CCD或CMOS图像传感器）。激光束投射到被测弧面玻璃表面形成一个光斑。当被测表面高度发生变化时，反射光斑在接收器上的位置会随之移动。通过精确测量光斑在图像传感器上的位置变化（Δx），并结合激光发射器、接收器和光轴之间的已知几何关系（形成一个三角测量系统），就可以计算出被测点到传感器的距离（Z轴高度）。

  • 关键公式基于简单的三角几何： Z = L * sin(α) / (tan(θ) + tan(β)) 其中，L是基线长度（发射器与接收器距离），α是激光入射角，θ是反射角，β是接收器光轴与基线的夹角。通过对光斑位置Δx进行标定，即可反推出Z值。

• 核心性能参数：

  • 精度： 激光三角测量技术的精度通常在0.1μm至几微米之间。

  • 分辨率： 0.01μm至0.1μm。

  • 响应时间： 高速型号可达数十kHz。

  • 测量范围： 几毫米到数百毫米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量速度快，可用于在线检测；对大部分漫反射表面适应性好；价格相对经济。

  • 缺点： 对高反射率和透明材料的测量效果不佳，因为反射光强度可能不足或产生镜面反射导致光斑模糊；存在“阴影效应”，陡峭的斜面或深孔可能无法测量；受表面颜色和光泽变化影响较大。

  • 适用场景： 对漫反射弧面玻璃的快速轮廓测量，例如玻璃毛坯、喷砂处理后的玻璃等。

  • 局限性： 难以直接测量透明弧面玻璃的厚度，也无法满足镜面玻璃的轮廓测量需求。

b. 色散共焦测量技术

想象一下，你用一个特殊的放大镜去观察一个很小的物体。这个放大镜有个神奇的功能，就是不同颜色的光线，它聚焦的距离是不一样的——红色光可能聚焦在远一点，蓝色光聚焦在近一点。色散共焦测量技术就是利用这个“彩色聚焦”的原理来精确测量距离的。

• 工作原理和物理基础： 色散共焦传感器发射一束宽带白光，通过一个特殊设计的物镜。这个物镜具有独特的色差效应，即不同波长的光会聚焦在不同的高度上。当这束光照射到被测弧面玻璃表面时，只有恰好聚焦在表面上的那个特定波长的光会被最有效地反射回传感器。反射回来的光通过一个共焦孔径（只允许聚焦光通过），然后被光谱仪接收并分析。光谱仪会识别出反射光中能量最强的那个波长，因为这个波长对应着光束恰好聚焦在被测表面上的颜色。通过事先建立的“波长-距离”对应关系，传感器就能精确地计算出被测点到物镜的距离。

  • 关键物理基础：色散现象和共焦原理。色散是光通过介质时，不同波长的传播速度不同，导致折射率不同，从而聚焦位置不同。共焦原理是指只有聚焦在被测物体表面的光才能通过共焦针孔到达探测器，从而实现纵向上的高分辨率。

  • 距离计算：通常依赖于一个预先标定的函数 f(λ)，即测量距离 Z = f(λ_peak)，其中λ_peak是光谱仪检测到的峰值波长。

• 核心性能参数：

  • 精度： 色散共焦测量技术的精度最高可达±0.01μm甚至更高。

  • 分辨率： 可达纳米级（1nm甚至更小）。

  • 响应时间： 可达数十kHz甚至更高。

  • 测量范围： 几百微米到几毫米。

  • 光斑尺寸： 最小可达2μm，典型为3-10μm。

  • 最大可测倾角： 标准型号可达±20°甚至±45°，特殊设计下对漫反射表面可达87°。

  • 厚度测量能力： 最小可测厚度5μm。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度和高分辨率： 能够达到纳米级的测量分辨率，非常适合高精度轮廓评估。

    • 多材质适应性： 对各种材质，包括高反射的镜面、透明玻璃、半透明材料和漫反射表面都能稳定测量，是测量弧面玻璃的理想选择。这是因为它的共焦原理确保只有聚焦在表面的光才会被接收，不受镜面反射和光泽变化的影响。

    • 多层测量能力： 能够识别并测量透明材料（如弧面玻璃）的多个表面（上表面、下表面），甚至能同时识别多达5层不同介质，这对于测量玻璃厚度或多层复合材料非常有用，无需事先知道折射率。

    • 复杂形状测量： 较小的光斑尺寸和较大的可测倾角使其能测量弧面、深孔、斜面等复杂形貌。

    • 非接触式： 避免了对被测物的损伤。

  • 缺点：

    • 测量范围相对较小，单次测量范围有限，对于大尺寸物体需要搭配扫描平台。

    • 某些型号对表面颜色变化较为敏感。

    • 成本相对较高。

  • 适用场景： 对弧面玻璃的轮廓度、厚度、表面粗糙度进行纳米级精度测量，特别是对于需要同时测量上下表面和厚度的透明玻璃，以及镜面玻璃的精密检测。

c. 相干扫描干涉技术 (CSI/SWLI)

想象一下，你把一束白光分成两束，一束去照镜子，另一束去照你需要测量的弧面玻璃。当这两束光再重新汇合时，如果它们的路径长度有微小差异，就会产生彩色的干涉条纹，就像肥皂泡上的彩虹一样。这个技术就是通过分析这些干涉条纹来“读懂”物体表面的微小起伏的。

• 工作原理和物理基础： 相干扫描干涉技术利用宽带白光作为光源。光束被分束器分为两路：一路作为测量光，照射到被测弧面玻璃表面并反射回来；另一路作为参考光，照射到参考镜并反射回来。这两路反射光在探测器处重新汇合，形成干涉条纹。由于白光是宽带光，只有当测量光和参考光的路径差接近零时，才能产生高对比度的干涉条纹（白光干涉包络）。传感器通过垂直方向扫描，精确找到每个像素点上干涉条纹的包络线峰值位置，这个位置对应着测量光和参考光路径差为零。通过记录所有像素点的峰值位置，就可以以纳米级分辨率重建物体表面的三维形貌数据。

  • 关键物理基础：光的干涉原理。当两束相干光相遇时，它们的振幅会叠加，形成明暗相间的条纹（干涉条纹）。白光干涉利用了白光宽带的特性，当两路光程差接近零时才能形成明显的干涉条纹。

  • 距离计算：Z = (m * λ_avg) / 2，其中m是干涉级数，λ_avg是平均波长，但在CSI中更复杂，是寻找干涉包络的峰值位置。

• 核心性能参数：

  • 垂直测量范围： 0.15 nm至数毫米（取决于物镜和测量范围）。

  • 垂直分辨率： 0.01 nm甚至更小。

  • 重复性： 纳米级。

  • 水平分辨率： 微米级（取决于物镜）。

  • 测量速度： 相对较慢，通常用于离线高精度分析。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 提供超高精度的纳米级表面形貌和轮廓测量，非常适合对表面粗糙度和微观结构有极高要求的弧面玻璃；非接触全场测量，可一次性获取大面积数据。

  • 缺点： 测量速度较慢，不适合高速在线检测；对振动和环境变化敏感；测量范围相对有限，大尺寸或复杂曲面可能需要拼接；对表面光洁度和反射率有一定要求，如果表面太粗糙或反射太弱，干涉条纹可能不清晰。

  • 适用场景： 弧面玻璃的研发、质量控制、微观表面粗糙度、微纳结构、局部形貌缺陷分析等。

d. 结构光三维扫描技术

想象一下，你用一个投影仪把一个棋盘格或者一系列条纹投射到弧面玻璃上。如果玻璃表面是平的，这些投影出来的图案也是平直的。但如果玻璃表面是弯曲的，这些图案就会跟着弯曲变形。结构光三维扫描技术就是通过分析这些图案的变形，来反推出物体表面形状的。

• 工作原理和物理基础： 结构光三维扫描仪通常包含一个投影仪和一个或多个摄像头。投影仪将已知图案（如平行线、网格或随机点阵）投射到被测弧面玻璃表面。当图案投射到物体表面时，由于物体表面起伏，图案会发生形变。摄像头从不同角度捕捉这些变形后的图案图像。通过三角测量原理，结合投影仪和摄像头之间的几何关系以及图案的变形信息，可以快速计算出物体表面上每个点的三维坐标，最终生成高密度的三维点云数据。

  • 关键物理基础：光学三角测量原理和图像处理算法。通过分析图案的编码信息和几何变形，利用三角关系计算每个点的三维坐标。

• 核心性能参数：

  • 测量精度： 结构光三维扫描的测量精度最高可达几十微米。

  • 体积精度： 几十微米加上与测量距离相关的误差。

  • 测量速度： 极快，可达数百万点/秒。

  • 测量区域： 几百毫米见方。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 快速获取大面积区域的完整三维轮廓数据，适用于各种尺寸和复杂曲面的测量；便携灵活，可用于在线或离线批量检测；数据点云密集，能完整还原物体形状。

  • 缺点： 测量精度相对较低，通常在微米到几十微米级别，难以达到亚微米级别；对物体表面材质和颜色变化敏感，高反光或透明表面需要表面处理（如喷涂显像剂），这会破坏物体表面；受环境光影响较大。

  • 适用场景： 对弧面玻璃进行快速、大范围的整体轮廓检测，例如汽车挡风玻璃、大型曲面显示屏的形状验证等，但对于亚微米级的局部轮廓度偏差评估则力不从心。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将重点对比几家国际知名品牌在弧面玻璃轮廓度测量方面的解决方案。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 2D激光三角测量。

  • 核心技术参数： 重复精度最小可达0.1 µm，采样速度最高64 kHz，测量范围（Z轴）0.5 mm至240 mm。

  • 应用特点和独特优势： 日本基恩士的激光位移传感器以其高速、高精度和高稳定性著称，能够快速获取弧面玻璃的横截面轮廓数据。尤其适合在生产线上进行快速在线检测，对表面颜色和光泽变化具有较好的适应性。但对于透明玻璃的正面/背面同时测量或超精密镜面玻璃的测量，可能会有局限。

• 德国米铱

  • 采用技术： 色散共焦测量。

  • 核心技术参数： 测量范围3 mm，分辨率0.003 mm (3nm)，线性度±0.15% FSO，采样率最高70 kHz，光斑直径3 µm。

  • 应用特点和独特优势： 德国米铱的色散共焦传感器在透明材料测量方面表现卓越，能同时测量弧面玻璃的上下表面轮廓和厚度。其极高的测量精度和非接触特性，使其成为精密弧面玻璃在线检测的理想选择，尤其适用于3C电子、光学镜片等对精度要求极高的领域。

• 美国卓高

  • 采用技术： 相干扫描干涉技术。

  • 核心技术参数： 垂直测量范围0.15 nm至20000 µm，垂直分辨率0.01 nm，重复性<0.02 nm rms，水平分辨率0.41 µm。

  • 应用特点和独特优势： 美国卓高的三维光学轮廓仪提供纳米级的超高精度表面形貌和轮廓测量。它能够一次性获取大面积的表面数据，包括整体轮廓和表面粗糙度，非常适用于弧面玻璃的研发、质量控制和失效分析等对极高精度有要求的环节。

• 加拿大克雷奥斯

  • 采用技术： 结构光三维扫描技术。

  • 核心技术参数： 测量精度最高0.025 mm (25μm)，体积精度最高0.020 mm + 0.040 mm/m，测量速度最高1,800,000次测量/秒。

  • 应用特点和独特优势： 加拿大克雷奥斯的手持式三维扫描仪以其快速、灵活的特点，能够获取弧面玻璃的完整三维轮廓点云数据。它非常适合对各种尺寸和复杂曲面进行大范围扫描，可用于在线或离线批量检测，尤其在产品开发、逆向工程和制造公差分析中发挥作用。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 光谱共焦技术

  • 核心技术参数： 采样频率最高可达33,000Hz，分辨率最高可达1nm，线性精度最高可达±0.01%F.S.，光斑尺寸最小可达2μm，标准型号最大可测倾角可达±20°，特殊设计型号可达±45°。

  • 应用特点和独特优势： 英国真尚有的光谱共焦位移传感器，可稳定测量金属、陶瓷、玻璃、镜面等多种材质，能够测量弧面、深孔、斜面等复杂形貌，单次测量最多可识别5层不同介质，无需已知折射率即可直接测量透明材料厚度。可选配备CCL镜头，实时观测测量光斑位置。部分型号前端实现IP65防护，可在有粉尘、水汽环境使用。

（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

在选择弧面玻璃轮廓度测量设备时，需要综合考虑应用需求、成本和性能等因素。

• 精度与分辨率：

  • 实际意义： 精度代表测量结果与真实值接近的程度，分辨率是能识别的最小变化量。对于±1μm的轮廓度评估，传感器的精度和分辨率至少要达到微米甚至亚微米级别。

  • 选型建议： 如果对轮廓度有严格的±1μm要求，且需要捕捉微观形貌，应选择分辨率在纳米级（如光谱共焦、干涉仪）的传感器。对于一般尺寸检测，精度要求稍宽松，激光三角可能适用。

• 测量范围与光斑尺寸：

  • 实际意义： 测量范围决定了传感器能测量的高度跨度。光斑尺寸决定了测量的细节程度，光斑越小，能检测的细节越精细。

  • 选型建议： 根据弧面玻璃的尺寸和曲率变化选择合适量程的传感器。对于精细结构或小曲率半径的弧面，应优先选择光斑尺寸小的传感器，以避免“平均效应”导致细节丢失。

• 测量速度（采样频率）：

  • 实际意义： 决定了单位时间内能获取多少个测量点，直接影响在线检测的效率。

  • 选型建议： 对于生产线上的在线检测，需要高速的传感器，如光谱共焦传感器或2D激光位移传感器。研发或离线检测则可以接受较慢的干涉仪。

• 材料适应性与最大可测倾角：

  • 实际意义： 弧面玻璃具有透明和高反光特性。最大可测倾角决定了传感器能适应多陡峭的曲面。

  • 选型建议： 测量透明弧面玻璃时，光谱共焦传感器是较好的选择，它能稳定测量透明和高反光材料，并提供多层测量能力。对于陡峭曲面，需要关注传感器的最大可测倾角参数。

• 环境适应性（防护等级）：

  • 实际意义： 生产环境中可能存在粉尘、水汽，影响传感器寿命和稳定性。

  • 选型建议： 针对工业现场应用，选择防护等级达到IP65或更高标准的传感器，以确保其在恶劣环境下长期稳定工作。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在弧面玻璃的精密测量中，即使选择了先进的光学传感器，仍可能遇到一些实际问题：

• 透明材料测量挑战： 弧面玻璃的透明性可能导致光线穿透、内部反射，影响测量准确性。

  • 原因： 光线在玻璃内部不同界面反射，可能产生多个信号峰值，或者光强衰减，难以准确识别表面。

  • 解决建议： 选用具有多层测量能力的光谱共焦传感器，它能够区分不同界面的反射信号并进行独立测量。同时，确保传感器光斑聚焦在目标表面，避免内部反射干扰。

• 高反光表面干扰： 玻璃表面抛光后具有镜面特性，可能导致激光三角等技术反射光斑不清晰或信号丢失。

  • 原因： 镜面反射光过于集中，可能无法被接收器有效捕捉，或导致接收器饱和。

  • 解决建议： 优先选用对高反光表面适应性好的传感器，如光谱共焦传感器（基于强度峰值判断，受反射角影响小）或干涉仪。必要时，可对表面进行非常薄的漫反射处理（如喷涂专用显像剂），但需确保处理不影响测量精度。

• 振动与环境温度变化： 生产现场的振动、气流、温度波动都可能引起测量不稳定。

  • 原因： 振动会导致被测物与传感器相对位移，温度变化会影响光学元件性能或被测物尺寸。

  • 解决建议： 采用高刚性的测量平台，增加防振措施。将传感器安装在稳定的基座上。控制测量环境的温度和湿度，减少气流扰动。对于高速测量，软件中的数据滤波（如高斯滤波、滑动平均）也可以在一定程度上平滑数据噪声。

• 数据量大与处理复杂： 高精度轮廓测量会产生海量数据点，需要强大的数据处理能力。

  • 原因： 大量点云数据需要复杂的算法进行拟合、偏差计算、可视化。

  • 解决建议： 选择具有强大数据处理软件和高速通信接口（如以太网、Modbus TCP）的传感器系统。利用可视化编程工具和内置的数据优化功能（如滤波、极值处理）可以提高处理效率，缩短开发周期。 英国真尚有的光谱共焦传感器内置高斯滤波、中值滤波、滑动平均、极值处理等数据优化功能，可以提高处理效率，缩短开发周期。

• 复杂曲面测量的盲区与死角： 极陡峭的弧面或深孔可能存在测量盲区。

  • 原因： 传感器光束无法垂直入射或反射光无法返回接收器。

  • 解决建议： 选用具有大倾角测量能力的探头。对于特别复杂的结构，可以考虑搭配多角度探头或采用多传感器协同测量，或者结合旋转台进行多角度扫描。

4. 应用案例分享

• 3C电子产品： 在智能手机的弧面屏幕、摄像头模组盖板玻璃的生产中，光谱共焦传感器能够精确测量玻璃的轮廓度偏差和厚度均匀性，确保产品组装的紧密性和显示效果的一致性。

• 光学镜片制造： 对于高精度光学镜片，如蓝玻璃滤光片、车载透镜等，通过光谱共焦技术可以实现镜片曲面轮廓、弧高以及多层厚度的纳米级测量，保证光学性能达到设计要求。英国真尚有的光谱共焦传感器，最小探头外径仅3.8mm，适合测量小孔内部特征。

• 半导体晶圆检测： 尽管晶圆多为平面，但其边缘或特殊结构可能存在微小弧面，光谱共焦传感器可用于检测晶圆的平整度、沟槽深度和局部倾斜度，确保芯片制造过程的精度。