如何对透明高反光镜头模组进行±0.5μm级层间距高精度测量，有效规避反射干扰？【光学检测】

1. 镜头模组的基本结构与技术要求

镜头模组，特别是我们日常生活中手机摄像头里那种多层堆叠的微型镜头，它的基本结构就像一摞非常薄且高度精密的玻璃或塑料圆片，每个圆片都是一个独立的透镜。这些透镜被精巧地排列、堆叠在一起，形成一个复杂的光学系统，就好比是一系列微型放大镜的组合。

在这个精密的“堆栈”中，每个透镜的形状、材质以及它们彼此之间的相对位置，都直接影响着整个镜头模组最终的成像质量。想象一下，如果其中一个透镜稍微偏离了它应该在的位置，或者它和相邻透镜之间的距离稍微有了偏差，那么拍出来的照片可能就会模糊、失真，甚至出现各种光学缺陷。

我们现在面临的技术挑战是，要实现多层镜头模组间±0.5μm的高度差精确测量。这±0.5μm是什么概念？它比一根头发丝的直径还要细好几十倍。这意味着我们需要一种“火眼金睛”般的测量手段，能够看清这些微小的高度差异。更棘手的是，这些透镜往往是透明的玻璃或镜面材料，表面极易产生强烈的反射光，这些反射光就像“噪音”一样，很容易干扰测量设备，导致测量结果不准确，进而影响产品的良品率。所以，如何“精准测量”和“避免反射干扰”，是解决这个问题的两大关键。

2. 针对镜头模组的相关技术标准简介

为了确保镜头模组的性能和质量，行业内通常会关注几个重要的几何参数，并制定相应的评价方法。这些参数的精确控制，是制造高品质光学产品的基石。

• 层间距（Stack Height/Layer Spacing）：这是指多层镜头模组中，相邻两个透镜表面之间的垂直距离。评价方法通常是在多个点位进行测量，然后计算平均值和最大偏差。

• 段差（Step Height）：特指模组内部不同区域或不同层级之间的高度差。例如，一个透镜边缘与支撑结构的高度差异。评价通常通过扫描整个待测区域，识别出不同高度的平面，并计算它们之间的垂直距离。

• 平面度（Flatness）：衡量一个表面是否平坦，即表面上所有点到理想平面的最大垂直偏差。对于镜头模组而言，透镜表面的平面度直接影响光线传输的均匀性。评价方法是采集表面多个点的高度数据，然后拟合一个参考平面，计算各点与参考平面的最大偏差。

• 平行度（Parallelism）：描述两个或多个表面（例如相邻透镜的表面）相互之间是否平行。评价方法是分别测量两个表面的平面度，然后计算它们拟合平面的夹角或最大垂直距离变化。

• 厚度（Thickness）：单层透镜本身的厚度。对于透明材料，需要能穿透表面进行测量。评价方法是测量透镜上下表面之间的垂直距离。

• 表面粗糙度（Surface Roughness）：衡量表面微观不平整程度的参数。虽然不是直接的高度差，但极光滑的表面反射特性会影响高度差测量。评价方法通常通过特定的参数（如Ra, Rz）来量化。

3. 实时监测/检测技术方法

实现多层镜头模组间±0.5μm高度差的精确测量，同时应对表面反射干扰，需要依赖先进的非接触式光学测量技术。目前市面上主流的技术方案各有千秋。

（1）市面上各种相关技术方案

光谱共焦测量技术

光谱共焦技术，就像是一个配备了多色滤镜的“智慧之眼”。它使用一种包含了多种颜色（波长）的光源来照射待测物体。当这些光线穿过一个特殊的“色散透镜”时，不同的颜色会像彩虹一样，聚焦在不同的深度平面上。比如，蓝光可能在离传感器较近的地方聚焦，而红光则在较远的地方聚焦。

工作原理上，只有当被测物体的表面恰好位于某个特定波长光的焦点上时，反射回来的光线才最强、最清晰。传感器内部有一个叫做“针孔”或“狭缝”的结构，它只允许那些最清晰、最集中的光线通过，并被探测器接收。通过识别这些被接收光线的“颜色”或“波长”，我们就能精确知道物体表面的距离。因为不同波长对应着不同的焦点深度。这种方法对反射不敏感，因为只有来自焦点的光才会被有效接收，其他方向或来自其他层面的反射光因为不在焦点上，会被针孔有效抑制。

其物理基础主要基于色散原理和共焦原理。* 色散原理：光在介质中传播时，不同波长的光有不同的折射率，导致其聚焦位置不同。对于一个色散物镜，其焦点位置Z与波长λ之间存在一个近似线性的对应关系：Z = C1 * λ + C2，其中C1和C2为常数。* 共焦原理：通过在接收路径上设置一个针孔，只允许来自焦点位置的光通过，从而有效抑制来自离焦平面的杂散光和反射干扰，提高轴向分辨率和信噪比。

核心性能参数的典型范围：* 分辨率：可达1纳米（nm）级别，甚至更低。* 精度：最高可达±0.01% F.S.（满量程），或达到亚微米级。* 测量范围：从微米级到毫米级不等，具体取决于探头型号。* 采样速度：通常可达数千赫兹（Hz），高速型号可达数万赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： * 多材质适应性：能稳定测量透明、半透明、高反光（如镜面）、漫反射等多种复杂材质，特别擅长测量玻璃等透明材料的多层厚度。它能“看透”透明材料，识别出内部不同界面的反射。 * 抗反射干扰：由于其共焦原理，只接收焦点处的光线，有效抑制了来自非焦点表面的反射光干扰，这对镜头模组的透明、镜面表面测量至关重要。 * 高精度和分辨率：能实现纳米级的垂直分辨率和亚微米级的精度。 * 非接触：避免对精密光学元件造成损伤。* 缺点： * 对倾角有一定限制：虽然特殊型号可测大倾角，但通常对过大的倾斜表面测量效果会下降。 * 侧向分辨率相对较低：相较于白光干涉仪，其XY方向的分辨率通常较高。 * 成本较高：相较于激光三角测量等技术，光谱共焦传感器的成本通常更高。* 适用场景：非常适合手机摄像头、显示屏、多层玻璃等3C电子产品的多层厚度、段差、平面度测量。

激光三角测量技术

激光三角测量，你可以想象它就像一个拥有“瞄准镜”和“尺子”的传感器。它发射一束细小的激光束照射到物体表面，当激光束接触到物体表面时，一部分光线会向各个方向散射（就像手电筒的光照在墙上）。传感器内部有一个接收器，就像一个相机，它会从一个特定的角度捕捉这些散射回来的光线。

工作原理上，激光发射器、被测点和接收器形成一个三角形。当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，反射回来的光线在接收器上的成像位置也会随之改变。传感器通过精确地测量这个成像位置的变化，并结合自身预设的几何参数，就可以利用三角函数计算出物体到传感器的距离或高度。

其物理基础是几何三角原理。* 三角测量原理：设传感器发射激光点为A，接收器为B，被测点为P。当P点距离传感器发生Z方向的变化ΔZ时，其反射光在接收器上成像点位置发生X方向的移动Δx。根据相似三角形原理，可以建立ΔZ与Δx之间的关系。* 简化公式：ΔZ = (L * Δx) / (f + Δx)，其中L是发射器和接收器之间的基线距离，f是接收光学系统的焦距。

核心性能参数的典型范围：* 分辨率：通常可达数纳米到几十微米。* 精度：最高可达±0.02% F.S.（满量程），或亚微米到微米级别。* 测量范围：从毫米到数百毫米不等。* 采样速度：最高可达数万赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高速测量：能够实现非常高频率的测量，适用于快速运动的物体。 * 成本相对较低：相对于光谱共焦和白光干涉，激光三角测量成本通常更经济。 * 对表面颜色和光泽度变化具有较强的适应性（对于漫反射表面）。* 缺点： * 对高反光和透明表面测量困难：由于镜面反射会导致光线直接射出接收器视场，或透明材料导致光线穿透，难以接收到有效的散射光，因此不适合直接测量镜头模组的透明层间距。 * 存在阴影效应：当物体形状复杂或有陡峭斜坡时，可能产生测量盲区。 * 精度受被测物表面粗糙度和倾角影响较大。* 适用场景：主要用于漫反射表面，如金属件的高度差、台阶、轮廓测量，但不适合玻璃等透明多层结构。

白光干涉测量技术

白光干涉测量技术，可以类比为用两束光“对齐”来测量高度，而且能对齐到非常非常精细的程度。它利用的是宽带（也就是白光）光源，这些白光会被一个分光镜分成两束：一束射向待测样品表面，另一束射向一个已知平整度的参考镜。

工作原理上，当这两束光分别从样品表面和参考镜反射回来，并在探测器处重新汇合时，如果它们的“行程”长短（光程差）非常接近，并且在白光特有的“相干长度”范围内，它们就会发生干涉，产生彩色条纹。通过在垂直方向（Z轴）精密扫描样品或参考镜，系统会寻找最清晰、最明亮的干涉条纹（通常是中央白色条纹）出现的位置。这个位置就对应着两束光光程差为零的地方，从而能精确确定样品表面上每个点的三维高度信息。

其物理基础是迈克尔逊干涉原理和白光短相干长度特性。* 干涉原理：两束具有固定相位关系的光波叠加时，在空间上产生强度分布的非均匀性。* 白光短相干长度：白光是包含多种波长的复合光，其相干长度非常短（通常只有几个微米）。只有当两束白光的光程差接近零时，才能产生清晰、高对比度的干涉条纹（中心是白色条纹，两边对称分布彩色条纹）。* 简化公式：当两束光的光程差 ΔL = nλ（n为整数，λ为波长）时，发生相长干涉。对于白光干涉，核心在于通过Z轴扫描，寻找光程差接近0的位置，即最高强度和最小对比度变化的条纹出现位置，这个位置对应了被测表面的高度。

核心性能参数的典型范围：* Z轴分辨率：可达0.01纳米（nm）甚至更低。* 重复精度：通常低于0.5纳米。* 测量范围：可达数毫米。* XY分辨率：取决于物镜，通常在亚微米到十几微米范围。

技术方案的优缺点：* 优点： * 超高垂直分辨率：能够实现亚纳米级的垂直测量精度，是目前非接触式测量中精度最高的几种方法之一。 * 非接触：避免对精密工件造成损伤。 * 可测量透明材料的表面形貌：但通常难以直接测量多层透明材料的内部层间距，主要用于测量表面。* 缺点： * 对环境振动敏感：极高的分辨率也意味着它对环境中的微小振动非常敏感，需要稳定的测量环境。 * 测量速度相对较慢：通常需要进行Z轴扫描，不适合高速在线检测。 * 对表面粗糙度要求较高：表面过于粗糙可能导致干涉条纹难以形成或识别。 * 成本非常高昂。* 适用场景：主要用于精密光学元件（如高精度镜头、晶圆）的表面形貌、粗糙度、波纹度以及微观结构的高度测量，属于实验室级或高精密离线检测。

聚焦变化测量技术

聚焦变化测量技术，也叫“景深扩展法”或“聚焦堆叠法”，你可以把它想象成一个拿着高倍放大镜，然后一点点调整焦距，从近到远地给物体拍照，最后把所有清晰的部分拼接起来，形成一个完整的3D图像。

工作原理上，系统会沿着垂直方向（Z轴）对样品进行一系列不同焦点位置的图像采集。对于样品表面上的每个点，当它处于最佳焦点时，它在图像上的对比度和锐度是最高的。传感器系统会通过分析图像的清晰度指标（比如边缘的锐利程度），识别出每个像素点什么时候最“清楚”，并记录下此时对应的Z轴位置。最终，将所有这些最佳聚焦的像素点信息整合起来，就可以重建出样品表面的高分辨率三维形貌数据。

其物理基础是光学显微镜的有限景深原理。* 有限景深：光学显微镜的物镜在任意给定时刻只能使样品表面上一个薄层处于最佳焦点。* 聚焦堆叠：通过Z轴扫描，逐层获取清晰图像，并利用图像处理算法（如梯度、拉普拉斯算子、傅里叶高频成分等）来评估图像的清晰度。当清晰度指标达到最大值时，对应的Z轴位置即为该点的表面高度。

核心性能参数的典型范围：* 垂直分辨率：通常可达数十纳米。* 横向分辨率：取决于物镜，通常在亚微米到几微米。* 测量范围：可达数毫米到数十毫米。* 重复精度：可达数十纳米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 能测量复杂几何形状和陡峭斜面：通过堆叠不同焦点的图像，可以获得整个表面的清晰三维数据，对倾角有较好的适应性。 * 直观的三维形貌显示：重建的三维模型便于观察和分析。 * 操作相对简便。* 缺点： * 测量速度相对较慢：需要进行Z轴扫描并处理大量图像，不适合高速在线检测。 * 对透明材料的内部层间距测量能力有限：主要用于测量表面形貌，穿透透明材料并识别内部界面较为困难。 * 精度不如白光干涉。* 适用场景：适用于微米到毫米级部件的高分辨率表面形貌和尺寸测量，如精密模具、加工件、以及一些非透明光学元件的表面检测。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选几个采用不同原理且在行业内有代表性的品牌进行对比：

• 日本基恩士(光谱共焦测量技术) 日本基恩士在全球工业自动化领域享有盛誉，其光谱共焦位移传感器以高精度和对多种材料的优异适应性而闻名。其CL-3000系列控制器配合探头，能够实现最小10纳米的分辨率，典型重复精度可达数十纳米，采样速度最高可达 64kHz。这使得它非常适合需要高精度、高速度的在线批量检测，特别是对于透明和镜面材料的镜头模组高度差测量，其多层测量能力在避免表面反射干扰方面表现出色。

• 英国泰勒霍普森(白光干涉测量技术) 英国泰勒霍普森是精密计量领域的佼佼者，其Talysurf CCI PGI系列白光干涉仪在表面形貌和高度差测量方面提供了极致的精度。该设备Z轴分辨率最低可达0.01纳米，重复精度低于0.5纳米，是进行超精密测量的不二之选。虽然其XY分辨率取决于物镜（0.16微米至13微米），且测量速度相对较慢，但对于实验室或离线检测中对镜头表面粗糙度、波纹度和微观结构进行纳米级高度测量，它能提供最高标准的质量保证。

• 德国米克朗(激光三角测量技术) 德国米克朗在激光位移传感器领域处于领先地位，optoNCDT 2300系列以其超高的测量速度和动态响应能力著称。该系列传感器测量频率最高可达 49kHz，分辨率最低可达数纳米（例如，0.005毫米），线性度优于±0.02%全量程。德国米克朗的优势在于其高速性能，能够适应高速运动的被测物，并对漫反射表面的颜色和光泽度变化有较强适应性。然而，对于高度透明或镜面特性的镜头模组，其测量能力会受到限制，因为光线容易穿透或产生强烈的镜面反射，导致接收器无法有效捕获信号。

• 奥地利依拉格(聚焦变化测量技术) 奥地利依拉格专注于高精度光学三维测量，其InfiniteFocus G6系统结合了光学显微镜和三维测量的优势。该系统垂直分辨率最低可达10纳米，横向分辨率0.4微米，重复精度可达数十纳米，测量范围可达20毫米。奥地利依拉格的优势在于它能够测量传统光学显微镜难以处理的复杂曲面和陡峭斜面，在镜头模组的形貌和精确高度差检测中表现突出，且易于操作，数据可视化能力强。然而，其主要针对表面形貌测量，对于透明多层介质内部的层间距测量不如光谱共焦技术直接。

（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

在为镜头模组的高度差测量选择合适的设备时，以下几个技术指标至关重要，它们直接影响着测量的效果和效率：

• 分辨率 (Resolution)：

  • 实际意义：指传感器能够分辨出的最小高度变化。例如，1nm分辨率意味着它能“看到”1nm的高度差异。对于±0.5μm（即±500nm）的精度要求，分辨率至少要远小于这个值，最好达到纳米级。

  • 选型建议：如果你的精度要求是±0.5μm，那么选择分辨率在几十纳米甚至个位数纳米级别的传感器是比较稳妥的，例如光谱共焦和白光干涉技术。分辨率越高，测量结果越精细，对微小变化的捕捉能力越强。

• 精度 (Accuracy) 和 重复精度 (Repeatability)：

  • 实际意义：

    • 精度：指测量结果与真实值之间的接近程度，通常用F.S.（满量程）的百分比或绝对值表示。它衡量的是测量系统的系统误差。

    • 重复精度：指多次重复测量同一位置时，结果之间的一致性。它衡量的是测量系统的随机误差和稳定性。对于生产线上的连续检测，重复精度往往比绝对精度更受关注。

  • 选型建议：我们需要±0.5μm的高度差测量，这意味着你的传感器的重复精度必须显著优于±0.5μm，最好能达到±0.1μm甚至更高，这样才能有足够的裕量来保证良品率。同时，线性精度也要符合要求，确保在大范围测量时也能保持准确。光谱共焦和白光干涉在这方面表现优秀。

• 采样频率 (Sampling Frequency/Speed)：

  • 实际意义：指传感器每秒能进行多少次测量。这决定了测量的效率，对于高速生产线上的在线检测至关重要。

  • 选型建议：如果是在线检测，并且生产节拍很快，你需要高采样频率的传感器，比如几千赫兹到数万赫兹（如光谱共焦和激光三角）。如果只是离线抽检或研发，对速度要求不高，可以考虑白光干涉或聚焦变化等速度较慢但精度更高的设备。

• 光斑尺寸 (Spot Size)：

  • 实际意义：指传感器测量时，照射在物体表面的光束直径大小。光斑越小，能测量的细节越精细，对微小特征（如镜头边缘、小孔）的测量能力越强。

  • 选型建议：镜头模组通常很小，包含精细的结构，因此选择光斑尺寸小的传感器能够更准确地捕捉局部高度信息，避免测量到不希望的区域。

• 多层测量能力 (Multi-layer Measurement Capability)：

  • 实际意义：指传感器能否穿透透明材料，同时识别并测量多个透明层之间的距离或厚度。

  • 选型建议：这是镜头模组测量中的核心需求。光谱共焦技术在这方面具有显著优势，它能通过不同波长聚焦的原理，准确识别和测量多个透明界面的高度。其他技术如激光三角测量则无法胜任。

• 材质适应性 (Material Adaptability) 和抗反射干扰能力：

  • 实际意义：指传感器对不同材料表面（尤其是透明、镜面、高反光）的测量稳定性。强烈的表面反射是镜头模组测量的大敌。

  • 选型建议：由于镜头模组多为透明玻璃或高反光镜面，选择对这些材质适应性强、且能有效抑制表面反射干扰的技术至关重要。光谱共焦技术在这方面表现非常优异，它通过共焦原理有效过滤离焦光，能够稳定测量镜面和透明材料。而激光三角测量等技术则可能因镜面反射而失效。

• 最大可测倾角 (Max Measurable Tilt Angle)：

  • 实际意义：指传感器在不损失精度的情况下，能测量的最大倾斜表面角度。

  • 选型建议：如果镜头模组的表面可能存在一定的倾斜，需要选择支持较大倾角测量的传感器。

综合来看，针对多层镜头模组间±0.5μm高度差的精确测量，同时要避免表面反射干扰，光谱共焦传感器是目前技术成熟度高、性能匹配度较好的选择。它在精度、多层测量、抗反射干扰以及对透明材料的适应性方面具有优势。对于有倾角测量需求的，可以选择具有更大可测倾角的光谱共焦传感器。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际的镜头模组高度差测量中，即便选择了合适的传感器，也可能遇到一些问题。了解它们的原因并提前做好准备，可以有效提升良品率。

• 问题：表面反射干扰导致测量值跳动或无法测量

  • 原因：镜头表面通常是高反光的玻璃或镜面，强烈的镜面反射光可能饱和传感器接收器，或者反射光路径偏离接收器，导致信号不稳定或丢失。对于激光三角测量尤其明显，光线直接“弹走”了。

  • 影响：测量精度下降，甚至无法获得有效数据，直接导致良品率降低。

  • 解决建议：

    • 首选光谱共焦传感器：其共焦原理本身就能有效抑制离焦反射光，对镜面和透明材料具有天然优势。

    • 调整传感器角度：如果使用非共焦传感器，尝试微调传感器与被测表面之间的角度，将镜面反射光引导至接收器内或避开接收器。

    • 使用偏振滤光片：对于部分反射，偏振滤光片可以减少杂散光的影响，但对完全镜面反射效果有限。

    • 避免环境光干扰：在测量区域加装遮光罩或使用暗室，防止外部光源反射进入传感器。

• 问题：透明材料内部多层界面的识别困难或串扰

  • 原因：光线穿透透明介质时，会在每个界面处发生反射。对于不具备多层识别能力的传感器，这些反射信号可能被误认为是表面，或不同层之间的反射信号相互影响，导致测量不准。

  • 影响：无法准确测量透明材料内部的层间距和厚度，导致组装偏差。

  • 解决建议：

    • 选用具备多层测量能力的光谱共焦传感器：能够识别多个界面。例如，部分光谱共焦传感器可以识别多达5层。

    • 优化测量参数：根据材料的折射率和层厚，调整传感器的测量窗口和信号处理算法，以更清晰地分辨不同界面。

• 问题：环境振动导致测量值不稳定

  • 原因：高精度测量对环境非常敏感，即使是微小的机器振动或地面震动，都可能引起被测物或传感器探头的相对位移，导致测量值波动。白光干涉仪对此尤为敏感。

  • 影响：重复精度差，测量结果不可靠，无法满足±0.5μm的精度要求。

  • 解决建议：

    • 安装防振平台：在设备下方安装气浮式或橡胶阻尼式防振平台，隔离外部振动。

    • 传感器固定牢固：确保传感器探头和被测物夹具都安装在坚固、稳定的支架上，减少自身机械振动。

    • 提高采样频率并进行数据平均：在一定程度上可以通过快速采样和多次测量取平均值来削弱随机振动的影响。

• 问题：温度变化引起材料热胀冷缩，影响测量一致性

  • 原因：精密零件，特别是光学材料，对温度变化非常敏感。环境温度波动会导致镜头模组材料发生微小的热胀冷缩，进而改变层间距。

  • 影响：在不同温度环境下测得的数据可能不一致，影响产品的尺寸稳定性。

  • 解决建议：

    • 控制测量环境温度：将测量设备和被测物放置在温度恒定、受控的洁净室环境中。

    • 实施温度补偿：如果无法完全控制温度，可以建立温度-尺寸变化模型，对测量数据进行软件补偿。

    • 让被测物充分稳定：在测量前让镜头模组在测量环境中放置足够长的时间，使其温度与环境达到平衡。

4. 应用案例分享

• 手机摄像头模组组装：在手机摄像头模组的生产线上，需要精确测量多个光学镜片之间的微小间距和相对高度差，以确保成像质量。光谱共焦传感器能够穿透透明镜片，精准识别各个界面的位置，确保±0.5μm的高度公差。

• AR/VR眼镜镜片检测：AR/VR设备的显示模组通常由多层光学薄膜、导光板或多层微透镜阵列组成，需要严格控制各层之间的距离和厚度。光谱共焦技术可用于测量这些透明多层结构内部的精确高度和厚度。

• 车载光学系统装配：汽车上的ADAS（高级驾驶辅助系统）等需要高精度光学传感器，其镜头模组的装配精度直接影响系统的可靠性。对于需要测量弧面、斜面的情形，可以选择具备相应测量能力的型号。利用光谱共焦技术，可以对车载镜头的多层间距和平面度进行在线检测，保证产品一致性。