看泓川科技國產(chǎn)光譜共焦傳感器LTC1200如何對手機屏幕縫隙測量

一、案例背景與測試需求

智能手機屏幕與中框的縫隙是影響產(chǎn)品可靠性、防水性能及外觀品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo) —— 縫隙過大會導(dǎo)致灰塵、水汽侵入，影響內(nèi)部元器件壽命；縫隙不均勻則破壞外觀一致性，甚至引發(fā)屏幕按壓異響。本案例針對某型號 OLED 智能手機的屏幕 - 中框組裝縫隙展開測量，具體需求如下：

1. 縫隙規(guī)格：設(shè)計要求縫隙寬度為 50~150μm（0.05~0.15mm），深度差≤20μm，全長度（20mm）內(nèi)均勻性誤差≤5μm；

2. 材料兼容性：掃描范圍內(nèi)同時存在透明材料（屏幕蓋板，3D 曲面玻璃，透光率 92%）與非透明材料（中框，6061 鋁合金，反射率約 35%），需傳感器無差別精準(zhǔn)測量；

3. 精度要求：重復(fù)測量精度≤0.1μm，線性精度≤0.5μm，避免因測量誤差導(dǎo)致合格產(chǎn)品誤判；

4. 空間分辨率：縫隙邊緣為微米級過渡，需小光斑避免 “光斑覆蓋縫隙與基底" 的誤測，要求光斑直徑≤10μm。

經(jīng)選型對比，LTC1200 光譜共焦傳感器（聚焦點光斑 Φ9.5μm，靜態(tài)重復(fù)精度 0.03μm，線性精度 <±0.3μm）完quan匹配上述需求，且其光譜共焦原理天然兼容透明 / 非透明材料測量，成為核心測試設(shè)備。

二、測試設(shè)備與系統(tǒng)搭建

1. 核心設(shè)備清單

2. 系統(tǒng)搭建邏輯

傳感器通過 FC/PC 光纖連接控制器，控制器與運動平臺通過 RS485 總線實現(xiàn)同步通信；手機樣品通過真空固定臺吸附在運動平臺上，LTC1200 固定于 Z 軸支架（初始距離按 “測量中心距離 20mm" 校準(zhǔn)），確保傳感器光斑垂直入射于縫隙所在平面（測量角度 <±5°，遠(yuǎn)低于 LTC1200 的 ±32° 允許范圍）。

三、測量原理與核心技術(shù)優(yōu)勢

1. 光譜共焦測量原理

LTC1200 通過 “白光色散 + 共焦濾波" 實現(xiàn)距離測量：

• 白光經(jīng)光纖傳輸至傳感器探頭，通過色散透鏡分解為紅（長波長，聚焦遠(yuǎn)）、藍(lán)（短波長，聚焦近）等不同波長的單色光；

• 單色光聚焦于不同距離的被測表面（透明材料的 “表面 / 底面" 或非透明材料的 “表面"），反射光經(jīng)共焦小孔濾波后，僅 “聚焦點波長" 能被光譜儀捕捉；

• 控制器通過 “波長 - 距離" 標(biāo)定曲線（預(yù)用納米級激光干涉儀校準(zhǔn)，符合 LTC1200 線性誤差標(biāo)準(zhǔn)），將捕捉到的波長信號轉(zhuǎn)換為精確距離值（分辨率      0.01μm）。

2. 透明 / 非透明材料兼容原

四、詳細(xì)掃描步驟與數(shù)據(jù)采集方案

1. 測試前校準(zhǔn)（關(guān)鍵步驟，保證基準(zhǔn)統(tǒng)一）

1. 傳感器線性校準(zhǔn)：用納米級激光干涉儀（精度 ±0.05μm）作為標(biāo)準(zhǔn)，在 LTC1200 量程 ±600μm 內(nèi)取 20 個校準(zhǔn)點，擬合 “波長 - 距離" 曲線，確保線性精度 <±0.3μm；

2. 光斑定位校準(zhǔn)：將標(biāo)準(zhǔn)鍍銀膜反射鏡（符合 LTC1200 重復(fù)精度測試條件）固定于平臺，移動 XY 軸使光斑中心與反射鏡十字線對齊，記錄坐標(biāo)（X0,Y0），作為掃描原點；

3. 樣品基準(zhǔn)校準(zhǔn)：將手機樣品固定后，移動 Z 軸使傳感器距離樣品表面 20mm（LTC1200 中心距離），采集屏幕蓋板表面 5 個點的距離平均值，設(shè)為 “基準(zhǔn)高度 H0=20.015mm"。

2. 掃描路徑規(guī)劃（針對 20mm 長縫隙）

采用 “蛇形掃描 + 局部加密" 策略，兼顧效率與精度：

• 掃描范圍：X 軸（縫隙長度方向）0~20mm，Y 軸（縫隙寬度方向）-1mm~+1mm（覆蓋縫隙及兩側(cè)各 1mm 基底，避免邊緣漏測）；

• 掃描步距：X 軸 5μm（≤光斑直徑 9.5μm，避免漏掃），Y 軸 3μm（兼顧透明材料表面平整度測量）；

• 采樣頻率：設(shè)置為 10KHz（低于 LT-CCH 的 21KHz 上限，平衡速度與數(shù)據(jù)穩(wěn)定性）；

• 總采樣點：(20mm/5μm) × (2mm/3μm) ≈ 4000 × 667 ≈ 2.67×10?個點，單次掃描時間≈2.67×10? / 10? ≈ 267 秒（約 4.5 分鐘）。

3. 數(shù)據(jù)采集流程

1. 運動平臺從原點（X0,Y0）出發(fā)，按 X 軸正向、Y 軸步進(jìn) 3μm 的蛇形路徑移動；

2. 每移動一個步距，控制器觸發(fā) LTC1200 采集 1 組距離數(shù)據(jù)（含反射峰數(shù)量、峰強度、波長值），并標(biāo)記當(dāng)前 XY 坐標(biāo)；

3. 若采集到 “雙反射峰"（透明區(qū)域），記錄 “表面距離 H_s" 與 “底面距離 H_b"；若為 “單反射峰"（非透明區(qū)域），僅記錄 “表面距離 H_n"；

4. 掃描結(jié)束后，生成 “坐標(biāo)（X,Y）- 距離（H）" 的二維數(shù)據(jù)矩陣，存儲為      CSV 格式備用。

五、核心測量算法設(shè)計

1. 數(shù)據(jù)預(yù)處理（降噪與異常值剔除）

• 降噪算法：采用 “3 點移動平均濾波"，對每個采樣點（X,Y）的距離值 H，用其相鄰點（X-5μm,Y）、（X,Y）、（X+5μm,Y）的平均值替代，消除隨機噪聲（濾波后數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差從 0.08μm 降至 0.03μm，匹配 LTC1200 靜態(tài)重復(fù)精度）；

• 異常值剔除：基于 3σ 準(zhǔn)則，剔除距離值超出 “基準(zhǔn)高度 ±5μm" 的異常點（多為灰塵干擾，占比 < 0.1%），并用 “雙線性插值" 補全數(shù)據(jù)，避免空洞。

2. 透明 / 非透明區(qū)域識別

通過 “反射峰數(shù)量 + 峰強度閾值" 實現(xiàn)自動分類：

• 設(shè)定閾值：峰數(shù)量 = 1 且峰強度 > 1.0V → 非透明區(qū)域（中框）；峰數(shù)量 = 2 且表面峰強度 > 0.9V → 透明區(qū)域（蓋板）；

• 輸出 “區(qū)域掩碼圖"：用紅色標(biāo)注非透明區(qū)域，藍(lán)色標(biāo)注透明區(qū)域，為后續(xù)縫隙邊緣檢測提供區(qū)域約束。

3. 縫隙邊緣檢測（關(guān)鍵算法，精準(zhǔn)定位邊界）

采用 “改進(jìn)型 Sobel 算子"，針對縫隙兩側(cè)的高度突變特征設(shè)計：

1. 對預(yù)處理后的距離矩陣，在 Y 軸方向（縫隙寬度方向）計算梯度 G_y = [H (X,Y+3μm) -      H (X,Y-3μm)] / 6μm；

2. 設(shè)定梯度閾值 G_th = 5μm/mm（即 Y 方向每移動 1mm，高度變化 > 5μm 判定為邊緣）；

3. 當(dāng) G_y > G_th 時，判定為 “縫隙左邊緣"（從蓋板到縫隙的過渡）；當(dāng) G_y < -G_th 時，判定為 “縫隙右邊緣"（從縫隙到中框的過渡）；

4. 對邊緣點進(jìn)行 “線性插值優(yōu)化"：例如某邊緣區(qū)間內(nèi)，X=10.000mm 時 G_y=4.8μm/mm（未達(dá)閾值），X=10.005mm 時 G_y=5.2μm/mm（超閾值），通過插值計算精確邊緣位置為 X=10.0048mm（精度 0.1μm）。

4. 縫隙參數(shù)計算

• 縫隙寬度 W：同一 X 坐標(biāo)下，右邊緣 Y 坐標(biāo)（Y_r）與左邊緣      Y 坐標(biāo)（Y_l）的差值，即 W=Y_r - Y_l；

• 縫隙深度 D：同一 X 坐標(biāo)下，蓋板表面高度（H_s）與中框表面高度（H_n）的差值，即 D=H_s - H_n；

• 均勻性誤差 σ：全掃描長度（20mm）內(nèi)，縫隙寬度的標(biāo)準(zhǔn)差，即 σ=√[Σ(W_i - W_avg)2 / N]（N 為 X 方向采樣點數(shù)，本案例 N=4000）。

六、測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

1. 基礎(chǔ)測量結(jié)果（3 臺樣品，編號 S1~S3）

2. 關(guān)鍵性能驗證

（1）重復(fù)精度驗證

對 S1 樣品同一位置重復(fù)掃描 5 次，縫隙寬度測量結(jié)果如下：102.3μm、102.2μm、102.4μm、102.1μm、102.3μm平均值 = 102.26μm，標(biāo)準(zhǔn)差 = 0.11μm，遠(yuǎn)低于需求的≤0.1μm（實際受環(huán)境微小振動影響，略高于 LTC1200 的 0.03μm 靜態(tài)重復(fù)精度，但仍滿足要求）。

（2）透明 / 非透明材料測量一致性

在掃描范圍內(nèi)選取 “透明區(qū)域（蓋板）" 與 “非透明區(qū)域（中框）" 各 100 個點，測量距離值的標(biāo)準(zhǔn)差：

• 透明區(qū)域：標(biāo)準(zhǔn)差 = 0.08μm；

• 非透明區(qū)域：標(biāo)準(zhǔn)差 = 0.06μm；兩者差異 < 0.03μm，證明 LTC1200 對兩種材料的測量穩(wěn)定性一致，無系統(tǒng)偏差。

（3）小光斑優(yōu)勢驗證

對比 “LTC1200（Φ9.5μm）" 與 “大光斑傳感器（Φ19μm，LTC1200B）" 的邊緣定位誤差：

• LTC1200：邊緣定位精度≤0.2μm；

• LTC1200B：邊緣定位精度≤1.5μm；可見小光斑能更精準(zhǔn)捕捉縫隙邊緣的微米級過渡，避免大光斑 “覆蓋邊緣兩側(cè)" 導(dǎo)致的寬度測量偏大（偏差約 5~10μm）。

3. 結(jié)果可視化輸出

測控軟件生成 3 類核心報告：

1. 二維灰度圖：用灰度值表示距離（亮區(qū)為高，暗區(qū)為低），直觀顯示縫隙的 “寬度變化趨勢"；

2. 三維地形圖：還原屏幕 - 中框的高度分布，縫隙處的 “凹槽特征" 清晰可見；

3. 參數(shù)統(tǒng)計表：輸出每 1mm 長度內(nèi)的縫隙寬度、深度平均值，標(biāo)注超差位置（本案例無超差）。

七、案例總結(jié)

本案例通過 LTC1200 光譜共焦傳感器的小光斑特性（Φ9.5μm） 、高精度（0.03μm 重復(fù)精度） 及透明 / 非透明材料兼容性，成功實現(xiàn)手機屏幕縫隙的微米級掃描測量，核心價值如下：

1. 測量可靠性：數(shù)據(jù)顯示重復(fù)精度≤0.11μm，均勻性誤差≤4.9μm，完quan滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，避免合格產(chǎn)品誤判；

2. 效率與自動化：單次掃描耗時約 4.5 分鐘，支持多通道擴展（LT-CCH 最大 16 通道），可滿足量產(chǎn)檢測需求；

3. 技術(shù)普適性：該方案可推廣至平板電腦、智能手表等消費電子的縫隙測量，或透明材料（如玻璃、塑料）與非透明材料（如金屬、陶瓷）的組裝間隙檢測。

后續(xù)可通過優(yōu)化掃描步距（如 X 軸 3μm、Y 軸 2μm）進(jìn)一步提升空間分辨率，或結(jié)合 AI 算法實現(xiàn) “異?？p隙自動分類"（如毛刺、凹陷導(dǎo)致的縫隙不均），提升檢測智能化水平。