引言:精密测量领域的技术瓶颈与创新方向
在现代制造业中,几何量测量的精度要求已从微米级向纳米级跨越,光谱共焦位移测量(Spectral Confocal Displacement Measurement, SCDM)技术凭借其非接触、高分辨率的优势,成为半导体加工、光学元件检测、微机电系统(MEMS)等领域的核心技术。传统SCDM系统多采用单通道扫描或并行多通道架构,但后者存在共焦点串扰问题——当多个通道的光斑间距小于衍射极限时,光信号相互干扰导致测量误差增大(通常>0.5μm)。为解决这一痛点,中国计量大学孙振国团队提出“光纤束+光开关”抗串扰方案,通过通道分时切换实现纳米级测量精度(绝对误差<0.15μm)。
泓川科技(Chuantec)作为精密测量领域的技术领先者,将该理论创新转化为工业级产品,其LTC系列光谱共焦传感器通过多通道独立光路设计、高速信号处理算法与模块化硬件架构,在3C电子、新能源电池等行业实现了从实验室技术到量产检测的突破。本文将系统剖析多通道抗串扰技术的原理、实验验证数据及泓川LTC系列的工程化实践。
一、光谱共焦测量技术原理与传统方案局限性
1.1 单通道SCDM技术基础
光谱共焦测量依赖色散光学系统与光谱分析技术:白光光源经色散透镜后,不同波长光聚焦于轴向不同位置,被测物体表面反射光经光纤传输至光谱仪,通过峰值波长反演位移量。其核心公式为:
x=∑i=1nIi∑i=1niIi
(式中:x为质心位置,Ii为CCD像素光强)
该方法通过质心算法提取峰值波长,兼顾精度(理论分辨率达1nm)与实时性(采样频率>1kHz)。
1.2 传统多通道方案的串扰问题
为提升测量效率,传统多通道SCDM系统采用阵列式光纤探头(如张雅丽团队提出的并行彩色共焦系统),但存在两大缺陷:
孙振国团队在实验中证实:当两通道间距<50μm时,传统并行系统的台阶高度测量误差从0.12μm骤增至0.87μm,无法满足精密制造需求。
二、多通道抗串扰技术创新:原理与系统设计
2.1 抗串扰方案核心架构
基于“时分复用+独立光路”设计理念,新型系统引入两大关键组件:
系统工作流程如下:
光源(CCS-500,THINKFOCUS)发出白光,经光开关选择单路光纤;
色散透镜将入射光聚焦于被测表面,反射光沿原光路返回至光谱仪(分辨率0.1nm);
光谱信号经TSConfocalStudio软件解码,输出位移量(采样频率最高32kHz,单通道模式)。
2.2 数学建模与误差抑制
通过分离变量法推导通道串扰抑制效果:
设传统并行系统的光强分布为Itrad(u,v)=h1(u,v)⊗h2(u,v)⊗τ(v),其中h1,h2为物镜与集光器的点扩散函数,τ(v)为反射率函数。新型系统通过通道分时切换,光强分布简化为:
Inew(u,v,t)=h1(u,v)⊗h2(u,v)⊗τ(v)⋅δ(t−tk)
(式中:δ(t−tk)为通道k的时间脉冲函数)
实验验证表明,该方法可使串扰噪声降低至-60dB以下,等效于将信号信噪比(SNR)提升20倍。
三、泓川LTC系列传感器:技术参数与性能验证
3.1 硬件架构与核心参数
泓川LTC系列采用“控制器+传感头”模块化设计,以旗舰型号LT-CCH控制器为例:
通道扩展能力:支持1~16路传感头并行工作,通道切换时间<10μs;
采样频率:单通道32kHz/四通道8kHz,满足高速生产线需求(如手机玻璃盖板检测节拍>60片/分钟);
模块化输出:集成EtherCAT(100Mbps)、USB2.0(480Mbps)接口,支持Modbus协议与自定义二次开发(提供C++/C# SDK)。
传感头型号覆盖不同测量场景,例如:
3.2 实验数据:精度与稳定性验证
(1)基础性能测试(参照GB/T 26824-2011标准)
| 测试项目 | 指标要求 | LTC2600实测结果 |
|---|
| 绝对误差(0~90μm) | ≤±0.2μm | ±0.12μm |
| 重复精度(1kHz) | ≤100nm(3σ) | 50nm(3σ) |
| 温度漂移 | ≤0.1%F.S./°C | 0.025%F.S./°C |
(2)多通道串扰抑制实验
采用孙振国团队搭建的“六棱柱靶标”(台阶高度30μm,材料SiC),对比传统并行系统与LTC系列的测量结果:
| 通道数量 | 传统系统误差(μm) | LTC-CCH误差(μm) | 误差降低比例 |
|---|
| 单通道 | 0.12±0.03 | 0.11±0.02 | - |
| 4通道 | 0.58±0.12 | 0.14±0.03 | 76% |
| 7通道 | 0.87±0.15 | 0.16±0.04 | 82% |
(3)工业场景应用案例
案例1:手机曲面屏3D形貌检测
对象:玻璃盖板(曲率半径5mm,厚度0.7mm);
方法:7通道同步扫描(间距43.27μm),数据拟合球面半径,最大误差80.92μm(传统接触式传感器误差>200μm);
设备:LT-CCH控制器+7路LTC2600H传感头(高温版,-10~150°C)。
案例2:锂电池极片厚度测量
对象:NCM锂电正极片(涂层厚度15~20μm);
方案:双通道模式(采样频率16kHz),EtherCAT接口实时传输至MES系统;
结果:测量重复性65nm(3σ),满足 automotive grade 质量管控要求。
四、行业价值与技术展望
4.1 泓川技术创新的突破点
国产化替代:LTC系列核心部件(光学棱镜、光开关驱动器)国产化率达95%,成本较进口品牌(如Micro-Epsilon、Keyence)降低40%;
定制化能力:提供“探头+控制器+软件”整体解决方案,例如为某面板厂开发的“LT-CPS-L+定制算法”,实现TFT-LCD面板翘曲度检测效率提升3倍。
4.2 未来发展方向
多物理场融合测量:集成光谱共焦与激光诱导击穿光谱(LIBS)技术,同步获取几何参数与材料成分;
AI自适应算法:基于深度学习优化峰值波长提取(如改进质心法),将动态测量误差进一步压缩至0.1μm以内;
微型化传感头:开发Φ8mm超小探头(如LTC3000,重量仅23g),适用于狭小空间(如发动机叶片叶尖间隙测量)。
结论
多通道抗串扰光谱共焦技术通过“光纤束隔离+光开关分时切换”的创新架构,突破了传统并行系统的测量瓶颈。泓川科技LTC系列以0.15μm绝对误差、32kHz高速采样与16通道扩展能力,成为精密制造领域的关键检测设备。从理论模型到工业应用的跨越,不仅体现了“产学研用”协同创新的价值,更标志着中国在高端测量仪器领域实现了从“跟跑”到“领跑”的突破。
如需获取更多技术资料或定制化方案,可访问泓川科技官网(www.chuantec.com)或联系技术支持(support@chuantec.com)。
参考文献
[1] 孙振国, 李加福, 等. 多通道抗串扰式光谱共焦位移测量方法[J]. 计量学报, 2024, 45(4): 489-495.
[2] 泓川科技. LTC系列光谱共焦传感器用户手册[Z]. 2024.
[3] Chen X, et al. Chromatic confocal probe with mode-locked femtosecond laser[J]. Optics & Laser Technology, 2018, 103: 359-366.