半透明塑料微米级非接触测量，如何选择最佳光学传感器应对内部散射难题？【工业精密测量】

1. 半透明塑料的基本结构与技术要求

半透明塑料，顾名思义，是介于完全透明和完全不透明之间的一种材料。它的内部结构通常含有微米级的散射中心，例如不同折射率的聚合物相、填料或微小气泡。当激光或其他光束照射到半透明塑料表面时，一部分光会在表面发生反射，但相当一部分光会穿透材料内部，并在内部发生散射和多次反射，最后从材料内部或背表面射出。

在非接触式距离测量中，针对半透明塑料的±1微米级精度要求，我们面临的主要挑战在于如何精确识别和定位“表面”。传统的激光测量方法可能难以区分是表面反射还是内部散射光造成的信号，导致测量点模糊、精度下降。想象一下，你试图用手电筒照亮一块毛玻璃，你会看到光线穿透并散射开来，很难明确指出“光的落点”在哪里。对于距离测量，这就好比很难确定塑料的“实际边界”。因此，技术要求不仅仅是测量到距离，更是要能够稳定、准确地识别并锁定半透明塑料的最外层表面，或者在需要时，能够同时测量出内部层级或厚度，且所有测量都必须达到微米甚至亚微米级别。

2. 半透明塑料相关技术标准简介

针对半透明塑料的测量，我们主要关注其几何参数和光学特性。以下是几种常见的监测参数定义和评价方法：

• 表面距离（或位置）：指从传感器参考平面到被测半透明塑料表面（通常指光学意义上的第一反射界面）的垂直距离。评价方法包括单点测量、多点扫描或线扫描，通过多次测量取平均值或进行拟合，以消除偶然误差，并与基准值进行比较。

• 厚度：指半透明塑料材料的物理厚度。由于光线穿透材料会发生折射，光学厚度和物理厚度之间需要进行修正。评价方法通常是测量材料的顶表面和底表面的距离，然后通过减法并考虑材料的折射率进行校正。

• 表面粗糙度：描述半透明塑料表面微观几何形状的平坦程度。通常通过测量表面轮廓上的微小起伏来评价，例如计算均方根粗糙度 (Rq) 或算术平均粗糙度 (Ra)。

• 平面度：衡量一个表面偏离理想平面的程度。通常通过在多个点上测量距离，然后通过最小二乘法拟合一个参考平面，并计算所有测量点到该参考平面的最大偏差来评价。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在为半透明塑料选择±1微米级精度的非接触式距离测量方案时，我们主要考虑以下几种主流光学技术：

3.1 激光三角测量技术

激光三角测量技术是工业领域应用最广泛的非接触式距离测量方法之一。它的工作原理像是一个几何谜题：传感器内部发射一束细小的激光束，照射到被测半透明塑料的表面。被表面反射回来的激光，不会沿着原路返回，而是从另一个角度被传感器内的接收器（通常是一个位置敏感探测器，如CMOS传感器或PSD）接收到。当被测塑料的距离发生变化时，反射光斑在接收器上的位置也会相应地移动。由于发射器、接收器和激光点形成一个三角形，通过精确测量光斑在接收器上的位置变化，再结合传感器内部固定的几何参数（如发射器与接收器之间的基线距离，以及发射角度），就可以利用三角几何原理计算出物体到传感器的距离。

关键公式（简化版）：假设激光发射角为 alpha，接收器与激光发射器基线长度为 L，接收光斑在探测器上的位移为 x，探测器焦距为 f，则距离 D 可以通过近似关系式推导出来。更精确的计算会涉及多个角度和基线长度，例如：D = L * sin(beta) / sin(alpha + beta)其中 alpha 是发射激光与传感器基线的夹角，beta 是反射光线与传感器基线的夹角，L 是发射透镜与接收透镜的距离。通过探测器上光斑位置 x 的变化来确定 beta 角的变化，进而计算出 D。

对于半透明塑料，挑战在于光线会穿透表面并在内部发生散射，使得反射回来的光斑不是一个清晰的点，而可能是一个模糊的光团。这就像你试图在烟雾弥漫的房间里用手电筒照射一个物体，反射的光线会变得不那么聚焦。为了应对这个问题，高端的激光三角测量传感器会采用更短波长或更高功率的激光，以及更先进的信号处理算法和高灵敏度CMOS接收器。这些算法能够智能地识别光斑的“中心”或“峰值强度”，从而尽可能地捕捉到来自最外层表面的反射信息，并抑制内部散射造成的误差。此外，一些传感器还可能使用特定的滤光片或偏振光技术来优化对半透明材料的检测。

• 核心性能参数典型范围：测量范围通常在几毫米到数百毫米之间。重复精度一般可达0.1微米至数微米，高端型号可达0.005微米（基于特定型号和量程）。采样频率可从几千赫兹到数百千赫兹。线性度在±0.01% F.S.到±0.1% F.S.之间。光斑直径通常在数十微米到数百微米。

• 优点：

  • 测量速度快，适合在线实时检测。

  • 结构相对紧凑，易于集成到生产线中。

  • 对物体表面倾斜度有一定适应性。

  • 成本相对光谱共焦和白光干涉更低。

• 缺点：

  • 对于高光泽或非常透明的材料，可能会因反射光太弱或散射严重导致信号不稳定。

  • 受环境光干扰较大，通常需要遮光或使用高功率激光。

  • 无法直接穿透材料测量内部多层结构，除非结合其他技术。

  • 半透明材料内部散射会降低测量精度和稳定性。

3.2 光谱共焦测量技术

光谱共焦测量是一种高精度光学测量技术，它巧妙地利用了光的色散原理。想象一下，我们把一束宽带白光（就像彩虹一样包含多种颜色）通过一个特殊的“色散透镜”系统发射出去。这个透镜系统有个神奇之处，它能把不同颜色的光聚焦在空间中不同的位置上，就好比每一束不同颜色的光都有自己的“最佳焦距”。当这束光照射到半透明塑料表面时，只有恰好聚焦在表面上的特定颜色的光（例如，某个特定波长的绿光）会被高强度地反射回来。传感器内部的探测器会精确地捕捉这束反射光，并分析它的“颜色”（即波长）。通过检测反射光中最强的那个“颜色”对应的波长，传感器就能精确地计算出物体到传感器的距离。

对于半透明塑料，这种技术尤其强大。因为光线能够穿透材料，而不同颜色的光聚焦在不同深度，所以当光线遇到材料的顶面、内部层或底面时，都能产生反射。传感器能够检测到多个“峰值颜色”，从而不仅能测量出顶表面的距离，还能识别并测量出内部多个反射界面的距离，甚至是材料的精确厚度。

• 核心性能参数典型范围：测量范围通常为几毫米到几十毫米。重复精度可达亚微米级，最高可达0.005微米。线性度最高可达±0.3微米。测量频率从几赫兹到数十千赫兹。光斑直径极小，最小可达3微米。

• 优点：

  • 对各种表面类型（包括半透明、透明、高光泽、漫反射）具有卓越的适应性。

  • 超高精度和分辨率，特别适合微米级和亚微米级测量。

  • 非接触式测量，对被测物无损伤。

  • 能够同时检测多层结构，并测量透明材料的厚度。

  • 对环境光不敏感，抗干扰能力强。

• 缺点：

  • 测量范围相对较小。

  • 成本较高。

  • 对传感器与被测物之间的倾斜角度要求较高。

3.3 白光干涉测量技术

白光干涉测量（WLI）是一种超高精度的三维表面轮廓测量技术，其原理是利用白光的干涉效应。想象一下，传感器内部会发射一束宽带白光，这束光首先被一个分束器分成两部分：一部分射向传感器内部的一个精密参考表面，另一部分则射向我们要测量的半透明塑料表面。当这两束光（一束来自参考面，一束来自被测塑料）反射回来并重新汇合时，如果它们走过的“路程差”非常小，并且在这个“路程差”范围内白光是“相干”的，它们就会产生独特的干涉条纹，就像水面上的波纹互相叠加一样。

由于白光是宽带光，只有当光程差接近零时才能产生高对比度的干涉条纹。为了找到这个最佳干涉点，传感器会垂直扫描（例如，上下移动物镜或被测样品），并分析干涉条纹的强度和位置。当干涉条纹最清晰、强度最大时，就意味着被测点的高度与参考点高度之间存在特定的关系。通过对整个表面的扫描和分析，传感器就能高精度地重建物体表面的三维形貌，并确定其垂直距离。对于半透明材料，WLI技术能够精确地解析并测量顶面、底面以及内部可能存在的多个光学界面，从而实现厚度或多层结构特征的亚纳米级高精度测量。

• 核心性能参数典型范围：垂直测量范围最高可达几十毫米（取决于配置）。垂直分辨率可达0.1纳米甚至更低。重复精度通常为亚纳米级（例如优于0.01纳米均方根）。视场从微米级到毫米级。测量速度取决于扫描范围和所需精度。

• 优点：

  • 提供超高精度和分辨率的3D表面测量，可达到亚纳米级别。

  • 非接触式测量，对脆弱或精密物体表面无损伤。

  • 能够测量复杂表面形貌、粗糙度、微观结构以及透明/半透明材料的精确厚度和多层界面特征。

  • 对表面颜色不敏感。

• 缺点：

  • 测量速度相对较慢，不适合高速在线检测。

  • 设备通常体积较大，成本极高。

  • 对环境振动和温度变化非常敏感，需要严格的环境控制。

  • 测量范围通常较小。

（2）市场主流品牌/产品对比

针对半透明塑料的±1微米级高精度测量，以下是几家主流国际品牌及其代表性产品和技术：

• 德国米铱 (采用光谱共焦测量技术)

  • 核心产品：optoNCDT IFS2405系列。

  • 核心技术参数：测量范围0.3毫米至28毫米，重复精度最高可达0.005微米，线性度最高可达±0.3微米，测量频率最高70千赫兹，光斑直径最小约3微米。

  • 应用特点和优势：以其卓越的超高精度和对各种表面类型（特别是半透明、透明和高光泽）的适应性而闻名。能有效穿透材料表层，检测多层结构或材料厚度，是需要微米甚至亚微米级精度的理想选择。

• 日本基恩士 (采用激光三角测量技术)

  • 核心产品：LK-G5000系列。

  • 核心技术参数：测量范围10 ± 1.5毫米至120 ± 40毫米，重复精度最高可达0.005微米（基于特定型号和量程），采样频率最高392千赫兹，线性度±0.02% F.S.，光斑直径最小约25微米。

  • 应用特点和优势：在高速在线检测领域表现出色，其极高的测量速度和工业级设计确保了在恶劣工业环境中的稳定运行。针对半透明材料，通过优化算法和高灵敏度接收器，提高了对半透明表面首层反射的检测能力，并能有效抑制内部散射误差，使其在高精度、高速度应用中具有竞争力。

• 英国真尚有 (ZLDS100Rd系列)

  • 产品型号：ZLDS100Rd系列。

  • 核心技术参数：多种光斑大小（<0.06mm到>1mm），量程高达1000毫米，采样速度最高70KHz（部分版本），分辨率0.01%，线性度最高0.03%。

  • 应用特点和优势：英国真尚有的ZLDS100Rd系列是一款紧凑型激光位移传感器，具备多种光斑尺寸，可以适应不同的测量需求。其高采样速度使其在高速动态场景中表现出色。该系列传感器在路面检测等领域有良好应用，具备抗太阳强光辐射、潮湿路面无干扰等特点。需要注意的是，虽然该传感器线性度较高，但要实现对半透明塑料的微米级精度测量，需要根据实际应用工况，选择合适量程和光斑尺寸的版本，并进行针对性测试和校准。

• 美国泽格 (采用白光干涉测量技术)

  • 核心产品：Nexview NX2。

  • 核心技术参数：垂直测量范围最高20毫米，垂直分辨率0.1纳米，重复精度亚纳米级（例如优于0.01纳米均方根），视场从微米级到毫米级。

  • 应用特点和优势：提供极致的3D表面测量精度和分辨率，可达到亚纳米级别，非常适合对半透明塑料进行超高精度的表面形貌、粗糙度以及多层结构厚度测量。在精密制造、半导体和医疗器械等对精度有极高要求的领域具有领先地位。

（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

选择合适的传感器并非只看单一指标，而是需要综合考虑多个方面：

• 精度（Accuracy）与重复精度（Repeatability）：精度指的是测量值与真实值之间的接近程度，重复精度则是指在相同条件下多次测量的结果一致性。对于±1微米级精度要求，重复精度是更直接的关键指标。一个传感器即使精度不高，但重复精度很好，通过校准也能获得高精度。反之，如果重复精度差，每次测量的波动大，就很难达到要求。

  • 选型建议：务必查看产品的重复精度指标，它应优于或等于您所需的±1微米。对于半透明塑料，由于光线散射，实际精度可能略低于标称值，建议进行实际测试。

• 分辨率（Resolution）：指传感器能够检测到的最小距离变化量。分辨率越高，传感器能捕捉的细节越精微。

  • 选型建议：分辨率应至少是您所需精度的一个数量级以上。例如，若要求1微米精度，分辨率最好是0.1微米甚至更高。但分辨率高不代表精度高，它只是一个潜力指标。

• 线性度（Linearity）：表示传感器在整个测量范围内输出信号与实际距离变化的线性程度。线性度差意味着在不同测量点，传感器输出值与实际值之间偏差不一致，这会影响测量的准确性。

  • 选型建议：优秀的线性度（例如±0.03% F.S.或更低）是保证整体测量精度的基础，尤其是在较长量程内。

• 测量范围（Measuring Range）与工作距离（Stand-off Distance）：测量范围是传感器能测量的距离区间，工作距离是传感器到被测物体表面的最佳操作距离。

  • 选型建议：根据实际应用中被测塑料的位置和运动范围选择合适的测量范围。工作距离要与设备安装空间相匹配，并确保在该距离下能达到所需精度。有些技术（如光谱共焦）测量范围相对较小，但精度极高。

• 光斑大小（Spot Size）：激光光斑在被测物体表面的尺寸。

  • 选型建议：对于精细结构或微小特征的测量，需要极小的光斑尺寸（例如几微米）。光斑越小，测量到的细节越清晰，但对表面粗糙度或微小污染物也更敏感。对于半透明材料，较小的光斑有时有助于集中光线，减少内部散射影响。

• 采样频率（Sampling Rate）：传感器每秒进行测量的次数。

  • 选型建议：如果被测塑料处于高速运动状态，需要较高的采样频率以捕捉其动态变化。例如，检测高速生产线上的产品，70KHz或更高频率能提供足够的数据点。

• 对材料的适应性：特别是对半透明塑料的检测能力，是否能有效抑制内部散射，是否能区分顶层表面。

  • 选型建议：光谱共焦和白光干涉技术在处理半透明材料方面具有先天优势。激光三角测量需要配合优化算法和高灵敏度接收器。超声波和电容式传感器虽然也能测塑料，但精度通常难以达到微米级。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

1. 问题：半透明塑料内部散射导致测量点模糊或跳动。

   • 原因与影响：光线穿透材料后在内部发生多次散射，使得反射回传感器的信号不清晰，光斑可能变得弥散，传感器难以准确识别表面位置，导致测量值波动大，精度下降。

   • 解决建议：

     • 更换测量原理：优先选择光谱共焦或白光干涉传感器，它们对半透明材料有更好的穿透和界面识别能力。

     • 优化激光三角传感器：选用具有更短波长（如蓝光激光）和高灵敏度CMOS阵列接收器的激光三角传感器，配合先进的信号处理算法，可以更有效地识别表面反射峰值。

     • 调整入射角度：尝试调整激光的入射角度，有时能找到一个角度使表面反射信号更强、内部散射影响更小。

     • 局部表面处理：在允许的情况下，对测量区域进行微小的表面处理（如喷涂一层极薄的漫反射材料），虽然会变为接触式测量，但可以提高反射信号质量。

2. 问题：环境光（如太阳光、车间照明）干扰测量。

   • 原因与影响：外部杂散光进入传感器接收器，与激光信号混合，导致信噪比降低，测量数据出现偏差或不稳定。

   • 解决建议：

     • 选择抗环境光能力强的传感器：高端传感器通常会配备窄带滤光片或采用调制解调技术来增强抗干扰能力。

     • 遮光或防护：在传感器周围设置遮光罩，或将被测区域与环境光隔离开。

     • 调整激光功率：在安全和允许的范围内适当提高激光发射功率，增强信号强度（但要注意对人眼安全的影响）。

3. 问题：被测塑料表面脏污、灰尘或油污影响测量。

   • 原因与影响：表面附着物会改变光线的反射特性，导致测量光斑异常，从而产生测量误差甚至无法测量。

   • 解决建议：

     • 保持清洁：定期清洁被测塑料表面。在自动化生产线中，可引入空气吹扫或静电消除装置。

     • 优化光斑大小：如果污渍尺寸小于测量光斑，通常影响较小。如果污渍较大且精度要求高，则需要清洁。

4. 问题：温度变化导致的测量漂移。

   • 原因与影响：温度变化会引起传感器内部光学元件或电子元件的微小膨胀收缩，导致测量基线或电路性能变化，从而引起测量结果的漂移。

   • 解决建议：

     • 环境控制：将传感器放置在温度受控的环境中。

     • 定期校准：根据环境温度变化规律，制定合理的校准周期。

     • 选择温度稳定性好的传感器：高端传感器在设计时会考虑温度补偿机制。

4. 应用案例分享

• 显示屏面板厚度检测：在制造智能手机或平板电脑的显示屏时，需要精确测量多层半透明薄膜（如偏光片、导光板）的厚度和层间距离，以确保显示质量和均匀性。针对这类应用，光谱共焦或白光干涉测量技术是更佳选择。

• 医疗器械部件尺寸检测：例如，注射器或输液管等塑料医疗器械的壁厚、直径和形状精度，这些往往是半透明材质，对尺寸有严格的微米级要求以保证功能性和安全性。

• 光学镜片或薄膜生产：在光学元件制造过程中，对半透明聚合物镜片或光学薄膜的表面形貌、厚度、曲率半径进行高精度检测，确保其光学性能。

• 汽车内外饰塑料件精度控制：汽车内饰的半透明按键、灯罩或外饰件，其配合精度和表面质量对产品外观和手感至关重要，需要进行微米级的尺寸控制。对于高速生产线上汽车塑料件的检测，英国真尚有的ZLDS100Rd系列激光位移传感器凭借其高采样速度，可以实现快速的在线测量。