海伯森光谱共焦传感器，点线共焦赋能工业制造精密测量

　　传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。现如今，传感器已经应用于各种复杂的工程系统，比如工业生产、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程，甚至是人工智能、科学研究、宇宙开发、文物保护等等领域，因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

　　传感器按功能分类包括视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉5大类，其中代表视觉的光敏传感器拥有低成本和易用性的特点，在检验、计量、测量、定向和瑕疵精密测量分拣等工业应用领域得到推广和普及。随着精密制造业的发展，对精密测量技术的要求也越来越高，利用光学3D测量技术，有助于优化从原型和模具构建、首件检验报告到装配分析等环节的质量控制，并有效节省检测时间，快速推进新产品上市，而位移测量技术作为几何量精密测量的基础，不仅需要超高测量精度，而且需要对环境和材料的广泛适应性，并且逐步趋于实时、无损检测。与传统接触式测量方法相比，共聚焦传感器具有高速度，高精度，高适应性等明显优势。

　　 光谱共焦传感器的原理

　　利用一种特殊的共焦光学装置，将光源射出一束宽光谱的复色光（呈白色），通过色散镜头发生光谱色散，量程范围内形成不同波长的单一颜色的光。每一个波长的焦点都对应一个距离值。测量光射到物体表面被反射回来，只有满足共焦条件的单一颜色的光，可以通过小孔被光谱仪感测到。通过计算被感应测试到的焦点的波长，换算获得距离值。光谱共焦法可以保证即使被测物存在倾斜或者翘曲，也可以精密测量，测量点不会改变。

　　因为反射光的光强仅仅取决于反射物体的反光程度，这意味着无论有多少反射光从被测物体反射回来也不会影响测量结果，所以测量的距离结果可能是不变的，因此使用光谱共焦传感器，即使被测物体是强吸光材料，如黑色橡胶；或者是透明材料，如玻璃或者液体，都可以进行正常可靠的测量。

　　光谱共焦传感器的十大优点

　　✮分辨率高：理论上波长可以一直被细分，因此通过特殊镜头可以输出相当高的分辨率。

　　✮温度稳定性好：内部仅有镜头结构设计，镜头本身不发热，温度漂移小，对于微米以及亚微米测量，温漂是关键。

　　✮自动聚焦：在量程范围内，被测物的位置高度上下变动时都有相应的波长的光聚焦到物体表面，再反射回接收器。

　　✮横向分辨率高：从上到下被测物总是在焦点上，测量光斑极为微小，因此能分辨被测物上的微小轮廓变化。

　　✮模块化小型化：镜头和控制器可以通过光纤连接，传输距离远，镜头可以做得很小，便于并排安装。

　　✮调频抗干扰：波长是调频信号，对光强变化等调幅干扰不敏感。光纤对电磁干扰、雷电浪涌不敏感。

　　✮透明材料厚度测量：当被测物透明且有两个表面，就会有两个波长的光返回得到厚度值。

　　✮全息性：理论上任意一束返回光谱分析仪的光线的波长都携带了距离信息，部分光被遮挡影响小。

　　✮安全性高：寿命长的LED光源，微小功率的白光，比激光对人眼安全，不受限于激光危害等级。

　　✮高防护：控制器高防护等级，光纤可提供不锈钢外套版本，防止虫害鼠咬。

　　对比传统激光位移传感器

　　激光位移传感器一般应用于测量平面物体，而海伯森光谱共焦位移传感器采用同轴测量结构，拥有更为宽广的角度特性。针对镜面表面光谱共焦位移传感器测头最大测量角度可以达到±62°，针对漫反射表面光谱共焦位移传感器各种测头最大测量角度可以达到±88°。在测量非平面时不会出现受回光产生相差的影响，即使被测物存在过大倾角或曲面，也可以进行高精度的形状测量，比如现在工业检测中的3D玻璃轮廓、点胶胶水高度及高光金属表面段差，这些都需要用到高精度测量仪输出3D测量数据。

　　激光位移传感器一般采用三角定位测距的原理测量，而海伯森光谱共焦位移传感器依靠共聚焦效应，通过特殊透镜将光反射聚焦，实现高分辨率和高精度的3D测量。相比较传统激光位移传感器输出光斑较大的问题，海伯森光谱共焦位移传感器测量光斑最小可达到2.48um，测量分辨率达到纳米级，其具有收光能力强、系统稳定性高的特点，有效解决了微小几何结构和轮廓变化物体的测量难题。在测量段差及间隙时，即使在多面反射的情况下也能实现轮廓保真和边缘位置精确，可以测出清晰的外形轮廓，保证精密测量。

　　传统激光位移传感器测量兼容性弱，在测量不同材质表面时需要反复更换测头和安装方式；而海伯森光谱共焦传感器可同时兼容位移测量模式和厚度测量模式，对不同表面、具有多种角度，甚至是多重材料混合的被测物都可以无需更换测头和在固定点位进行稳定测量。海伯森光谱共焦传感器拥有非常高的扫描精度，可以完美匹配在粗糙度测量的应用上，比如摄像头模组、镜片和托圈和lOGO段差等特定场景的精密测量。

　　传统激光位移传感器只能在固定安装位测量，且在数据输出时都需要加较高数值的移动平均，因此难以解决传统方式使用软触发测量效率低、稳定性差以及同步性差的问题；而光谱共焦传感器对安装方向和移动方向具有极大灵活性，还可以同时支持四通道同步测量。海伯森自研光谱共焦位移传感器编码控制器，可以实现单通道最大72kHz/秒的采样速率，且不受空间和测量区域限制，最小线性误差仅0.3um，可以轻松实现运动中测量和一些盲孔、窄缝等狭小区域测量；另外海伯森的3D线共焦传感器，更是可以实现2048点/线、17000线/秒的极限测量速率，还可以同步输出2D/3D图像，助力工业精密3D测量！

　　传统的激光位移传感器还会出现因自身发热而使夹具产生形变、光轴偏移等问题，容易出现测量误差；海伯森光谱共焦传感器传感头内部仅有镜头结构设计，由于没有电子元件，不发热，所以不会产生安装探头的夹具形变情况，而对于微米以及亚微米测量，温漂是关键，温度漂移小可实现理想的高精度检测。

　　光谱共焦传感器在精密测量领域的应用

　　      随着3C产品外型设计的飞速更新，材料工艺的不断升级，近年来3C产品在加工制造过程中的自动化测量越来越多地使用光谱共焦传感器，光谱共焦位移传感器发挥了其独特的优势。海伯森光谱共焦传感器已经被广泛应用于手机表面轮廓、手机芯片、中框段差、LOGO。段差、摄像头模组、以及涂胶缺陷等精密测量场景。

　　▲海伯森3D线光谱共焦传感器HPS-CFL1000手机背板实测

　　在半导体设计、制造、封装中的各个环节都要进行反复多次的检测、测试以确保产品质量，从而研发出符合系统要求的器件。缺陷相关的故障成本高昂，从IC级别的数十美元，到模块级别的数百美元，乃至应用端级别的数千美元。因此，检测设备从设计验证到整个半导体制造过程都具有无法替代的重要地位。海伯森光谱共焦传感器以其高分辨率、高精确度和稳定可靠的优势，在晶圆表面轮廓、芯片封胶检测和锡球引线焊接等精密测量应用中扮演着非常重要的角色。

　　▲海伯森光谱共焦传感器检测晶圆

　　模具是工业生产的基础工艺装备，被称为“工业之母”。模具应用领域广泛，75%的粗加工工业零件、50%的精加工零件由模具成型，绝大部分塑料制品也由模具成型。随着工业产品的结构设计越来越复杂，模具外形轮廓也日趋多样，几何形状日趋复杂，自由曲面占比不断增加。为此，对精密、复杂模具的制造、加工和尺寸检测也提出了更高的要求。

　　▲海伯森光谱共焦位移传感器螺丝轮廓检测

　　在医用检测领域，光谱共焦传感器可以解决医用薄膜表面瑕疵测量和厚度测量的问题。在薄膜的实际生产过程中，受多重因素影响，薄膜表面会出现诸如孔洞、晶点、划伤、裂缝、斑点等瑕疵，而人眼不能及时准确判断；包装材料厚度是否均匀是检测其各项性能的基础，薄膜材料厚度不均，会影响到阻隔性、拉伸强度等性能；对材料厚度实施高精度控制也是确保质量与控制成本的重要手段。通用薄膜测量的需求为微米级，海伯森技术光谱共焦传感器具有超高分辨率，检测精度可达到50nm！

　　▲海伯森光谱共焦位移传感器薄膜测量

　　海伯森光谱共焦传感器可检测任何材质和表面：包括镜面、玻璃、陶瓷、半导体、高光金属等表面均可进行纳米级测量；超高采样频率可用于生产线，替代人工并提高合格率，且测量范围极广，几乎无死角，可解决激光三角法测量无法回避的因表面材质变化或倾斜而导致测量误差等问题；可进行透明工件多层厚度的精确测量，也可用于实验室的2D轮廓测量、3D微观形貌分析、表面粗糙度测量，到工业在线检测、自动化控制等。

　　   海伯森技术光谱共焦传感器系列参数介绍

　　▲光谱共焦位移传感器HPS-CF系列（2020年上市）

　　▲3D线光谱共焦传感器HPS-CFL系列（2021年上市，国内首台）

　　小结

　　高端装备最本质的特征是高质量。我国装备制造要由中低端向中高端迈进，首先要解决制造质量问题，其核心关键是解决超精密测量能力问题，我国现阶段须迫切完成的任务是，国家加强对智能制造的推动引导，企业自发提升创新研发能力。作为致力突破高端智能传感器技术卡脖子的国产传感器企业的坚定执行者之一，海伯森将持续探索、整合和利用国内外先进技术，在高端智能传感器的国产化赛道上，心无旁骛地精耕细作，进而完成从技术积累、技术突破到市场认可的三级跳，助力高端智能传感器国产化替代的目标实现，为工业高效生产提供高端智能传感技术服务，为国家的新基建发展，工业互联网的布局提供源源不断的动力。

　　海伯森技术其他传感器产品

　　海伯森作为国家高新技术企业，拥有高端传感器产品的全套研发和规模化生产能力，企业已经通过ISO9001质量管理体系认证和ISO14001环境管理体系认证，累计获得数十项专利和软件著作权。目前，公司主要产品除了光谱共焦传感器系列，还有机器视觉系统的超高速工业相机，力学应用的六维力传感器，激光传感器领域的激光对针传感器、面阵固态激光雷达和单点ToF测距传感器等多款产品，且被广泛应用于工业自动化检测、机器人、无人机、AGV、智能交通、物联网、消费电子等领域。