一、引言

在光學元件制造領域，玻璃鏡片的厚度精度直接影響光學系統的成像質量與性能穩定性。隨著精密光學儀器的發展，對 4-5mm 厚度玻璃鏡片的測量精度要求已提升至 1μm 以內。傳統接觸式測量方法存在劃傷鏡片表面、測量效率低等問題，而單一光譜共焦傳感器因量程限制（通常僅 2.6mm）無法直接覆蓋 4-5mm 厚度范圍。本案例基于 LTC2600 系列激光位移傳感器，提出雙探頭對射測量方案，通過機械結構優化與精密標定，實現了 1μm 以內的測量精度，為同類厚度光學元件的高精度檢測提供了可行解決方案。

二、測量挑戰與需求分析

（一）核心測量需求

測量對象：4-5mm 厚度玻璃鏡片，表面光潔度高，需避免接觸式測量損傷。

精度要求：整體測量誤差控制在 1μm 以內，滿足精密光學元件的質量管控標準。

效率需求：需實現自動化測量，適配生產線快速檢測場景。

（二）技術難點

量程與精度的矛盾：單臺光譜共焦傳感器量程（2.6mm）無法覆蓋 4-5mm 厚度，而 LTC2600 雖具備 15mm 量程，但直接單探頭測量需搭配復雜位移機構，難以保證微米級精度。

雙探頭對射誤差重疊：傳統雙探頭對射方案中，兩探頭測量光束的對心精度不足會導致測量值疊加誤差，若光束偏移 1μm，厚度測量誤差將直接體現為 2μm（雙向偏移）。

系統標定復雜性：不同探頭的線性誤差、溫度漂移需同步補償，且中間介質（玻璃鏡片）的折射率影響需通過標定消除。

三、解決方案設計

（一）硬件方案選型

傳感器選型：采用 LTC2600 激光位移傳感器（參數見表 1），其 ±0.3μm 的重復精度與 0.05μm 線性誤差滿足高精度要求，15mm 量程為雙探頭對射提供冗余空間。

機械結構：定制雙探頭對射夾具，包含：

Z 軸精密調節機構（精度 ±1μm），用于調節兩探頭間距；

光束對心校準裝置（基于亞微米級運動平臺），確保兩探頭光束同軸對準；

恒溫底座（控溫精度 ±0.5℃），抑制溫度漂移（傳感器溫度特性 < 0.03% F.S./℃）。

控制器與軟件：搭配 8 通道 LT-CCH 控制器（最高采樣頻率 21kHz），集成配套測控軟件與 C# 開發包，實現數據實時采集與分析。

（二）測量原理與方案創新

雙探頭對射測量原理如圖 1 所示：兩傳感器分別從鏡片兩側發射激光，光束穿透鏡片后由對側傳感器接收，通過計算兩傳感器測量值之差（D1-D2）得到鏡片厚度。創新點在于：

重疊區域校準：先將兩探頭置于重疊區域（間距 < 2.6mm），通過標準鍍銀膜反射鏡校準光束對心，確保光點偏移 < 0.5μm；

量程擴展策略：利用 Z 軸調節機構將兩探頭間距拉開至 6-8mm（超出單探頭量程但在雙探頭組合量程內），通過機械精度保證光束對心不受影響；

標準件動態標定：使用 4mm 和 5mm 標準厚度玻璃（精度 ±0.5μm）進行實時標定，補償系統誤差與折射率影響。

四、實施步驟與標定流程

（一）硬件安裝與調試

夾具安裝：將雙探頭固定于 Z 軸調節機構，確保兩傳感器光軸同軸度偏差 < 10μrad；

初始對心：在重疊區域（間距 2mm）放置銳利玻璃邊緣，通過亞微米定位平臺（精度 ±0.1μm）調整探頭位置，使兩傳感器光斑中心重合（基于激光干涉儀驗證）；

間距調節：啟動 Z 軸機構，將兩探頭間距緩慢增至 6.5mm，記錄調節量（機械精度 ±1μm）。

（二）系統標定流程

標準件準備：選取 4mm（標準值 4.000mm）和 5mm（5.000mm）石英玻璃標準片，表面平整度 <λ/10（λ=633nm）；

零點校準：在兩探頭間無介質時，采集 1000 組數據取均值，設定為基準零點（D0=0）；

厚度標定：

放置 4mm 標準片，采集數據并計算厚度值 T1，若實測值為 4.002mm，則標定系數 K1=4.000/4.002=0.9995；

更換 5mm 標準片，同理計算 K2=5.000/T2，取 K1 與 K2 均值作為系統標定系數 K=0.9996；

溫度補償：在 25℃±5℃范圍內測試，建立溫度 - 誤差修正模型（如 ΔT=1℃時，修正值 ΔD=0.03%×15mm×1℃=0.0045mm=4.5μm）。

（三）實際測量流程

鏡片放置：將待測玻璃鏡片置于兩探頭中間，確保表面與光軸垂直（傾斜角 <±0.5°）；

數據采集：啟動 LT-CCH 控制器，以 10kHz 采樣頻率連續采集 100 組數據，剔除異常值后取均值；

厚度計算：實測厚度 T=K×(D1-D2)，其中 D1、D2 為兩傳感器測量值；

誤差修正：根據環境溫度實時修正測量值（如溫度 28℃時，修正值 = 4.5μm×(28-25)=13.5μm，實測值需減去該修正量）。

五、測量結果與精度驗證

（一）重復性測試

對 4mm 標準片進行 10 次重復測量，結果如下：

（二）全量程精度驗證

在 4-5mm 范圍內選取 5 個厚度點（4.0mm、4.2mm、4.5mm、4.8mm、5.0mm），每個點測量 20 次，結果顯示：

最大絕對誤差：0.8μm（4.5mm 處）；

標準偏差：0.35μm；

線性度誤差：0.05μm（與參數表一致）。

（三）對比傳統方案優勢

六、結論與應用拓展

本案例通過 LTC2600 激光位移傳感器雙探頭對射方案，成功解決了 4-5mm 玻璃鏡片 1μm 精度的測量難題。方案核心優勢在于：

量程與精度的平衡：利用 15mm 量程傳感器組合，通過機械調節與標定突破單探頭量程限制，同時保證微米級精度；

誤差抑制策略：重疊區域對心校準、標準件動態標定與溫度補償多管齊下，將系統誤差控制在 0.8μm 以內；

工程化適配：配套控制器與軟件支持自動化采集，21kHz 采樣頻率滿足生產線快速檢測需求。

該方案可拓展至其他透明 / 半透明板材厚度測量（如藍寶石襯底、光學棱鏡等），或通過多探頭陣列實現三維輪廓檢測。實際應用中需注意環境振動控制（建議安裝隔振平臺）與光路防塵（IP40 防護等級需配合防塵罩），以持續保證測量精度。

審核編輯 黃宇