基于线共聚焦原理的表面三维测量

在工业检测领域，对物体表面三维形貌进行精确测量一直是行业关注的焦点。特别是在现代制造业中，随着透明材料、高反光表面以及复杂几何形状工件的大量应用，传统检测方式已难以满足高精度、高效率的检测需求。光谱共焦测量技术作为一种非接触式光学测量方法，因其高精度和抗干扰能力强等特点，逐渐成为精密测量领域的研究热点。

本文首先从物理光学与信息论角度解释其原理；其次阐述海伯森传感器在光、机、电、算一体化系统中关键技术突破，继而对其核心性能参数（重复精度、抗干扰能力、测量速度）进行分析，最后通过（玻璃、半导体、胶路等）领域的典型应用案例，具体验证在线/离线检测场景下的有效性与优越性，并讨论未来其发展方向。

三维形貌的非接触式光学测量是现代质量管控的主流方法。现有技术如激光三角测量（精度受环境影响较大）、结构光投影（复杂表面影响精度）等，或因精度而牺牲速度、方向受限而检测有死角等。尤其在高速在线检测，对其技术有着更高要求，使其技术无法突破，频频面临技术瓶颈。

海伯森技术（深圳）有限公司通过技术创新，成功开发了基于线共聚焦的3D线光谱共焦传感器系列产品，将点共焦改进为线共焦，配合高精度扫描机台，实现了从点到线、再从线到面的快速三维形貌重建。这种技术突破不仅显著提高了检测效率，同时保持了光谱共焦技术高精度和强抗干扰能力的优点，为现代制造业提供了一种全新的高效精密测量解决方案。

一、色散共焦系统核心原理

利用特殊透镜的色差，将不同波长（ λ）的光聚焦在光轴上的不同位置，形成一把由颜色编码的“光学尺”；测量时，只有物体表面所在位置对应的特定波长光能被精确聚焦并反射，系统通过分析反射光中的峰值波长，即可根据预先标定的波长-距离关系，直接、精确地计算出物体的距离或高度。

二、从点到面的逐步形成

将单点成像逐步扩展到面成像，主要是将可视范围内所有不同坐标的点汇集成面像，那就要区分XY的光谱信号。

海伯森用以下方式来解决此类问题

海伯森同轴线光谱传感器从“点”到“面”的逐步形成，是一个基于核心技术原理、通过精密光学与机械系统集成、最终实现三维形貌重构的系统性工程。其起点是点光谱共焦技术的成熟应用。该技术的核心原理是利用白光光源通过特殊色散透镜，形成一组按波长在光轴上精确聚焦的焦点序列。传感器通过分析被测表面反射光的光谱，精确判定其波长成分，从而将光的波长信息转化为精确的距离信息，实现对单个点的纳米级精度测距。这一阶段的突破在于解决了对高反光、透明、多层玻璃等复杂材质的单点精密测量难题。

然而，单点测量效率低下，无法满足对物体表面形貌进行快速扫描的需求。于是，技术实现了从“点”到“线”的关键跨越。海伯森通过精妙的光学设计，将点光源扩展为一条狭长的线白光。这条线白光并非简单的一条光带，而是由数千个紧密排列的、独立的测量“点”构成，每个点都遵循光谱共焦原理。传感器内部的精密光谱仪可以并行处理整条线上所有反射点的光谱信号，从而在一次曝光瞬间，同时获取一条直线上数千个点的三维坐标（X, Z轴信息）。这就是HPS-LCX系列同轴线光谱共焦传感器，其“同轴”设计使得测量光线与被测表面法线方向一致，彻底消除了测量盲区，即使对深孔、陡峭边缘也能进行完美测量。

最终，从“线”到“面”的形成，依赖于一维扫描运动与强大的数据拼接技术。当传感器搭载的线白光，通过机械轴带动或本身在高速产线上移动，相对于被测物体进行匀速扫描时，它便会以极高的频率（如每秒数万线）连续采集无数条相邻的测量线数据。每一条线都提供了物体一个横断面的轮廓信息。上位机系统接收到的海量点云数据，再根据扫描运动的精确轨迹（由编码器精确定位），将每条线的数据按其空间位置进行精准对齐与拼接。这个过程如同“织布”，一条条“线”被紧密地编织在一起，最终构建出完整、连续且包含丰富高度信息的三维表面形貌图（即“面”）。至此，海伯森传感器完成了从孤立“点”到轮廓“线”，再到完整三维“面”的转变，实现了对物体表面微观到宏观的综合精密测量能力。

三、性能系统分析

3.1 测量精度与分辨率

海伯森同轴线光谱传感器在测量精度方面表现卓越，其Z轴重复精度最高可达0.1μm，X方向最小点间隔为1.1μm（LCX1000型号）。这一高精度特性使其能够检测微小的表面形貌变化，如PCB过孔的深度差异、芯片焊点的高度变化等。

在实际应用中，如PCB过孔检测案例所示，传感器设置横向测量点2048个，采样点间隔1.1μm，线间隔4μm，能够清晰分辨过孔的微观特征。通过3D点云数据的颜色区分，可以直观显示PCB板不同位置的高度变化，精度足以满足高速PCB对过孔深度的严苛要求。

高精度的实现得益于海伯森的几项核心技术：一是采用狭缝滤光器置于第二色散透镜组的焦平面处，有效滤除非聚焦波长的杂散光，提高信噪比；二是利用共轴光路设计减少像差和畸变；三是专利的算法处理技术，能够准确将光谱信号转换为位置信息。

3.2 测量效率与速度

在工业检测应用中，测量效率直接影响到生产节拍和检测成本。海伯森同轴线光谱传感器采用线扫描方式，一次性获取整条线2048个点的三维数据，相比单点扫描方式，效率提升数个数量级。HPS-LCX1000最高扫描速率可达35,000线/秒，而更新的LCX3000型号更是实现了超高速扫描能力，大幅提高了检测效率。

在实际部署中，传感器通常配合机台扫描运动或固定于高速产线上，实现整个物体表面的三维形貌重构。例如，在芯片贴片检测中，传感器从基板最左侧开始直线扫描，快速完成整个基板多个检测区域的数据采集与处理。这种高效率使传感器能够适应在线检测的高速节拍，实现对每个工件的全检而非抽检，显著提升产品质量控制水平。

3.3 材质适应性与环境稳定性

海伯森同轴线光谱传感器的一大优势是其卓越的材质适应性。由于采用光谱共焦原理，其测量结果基于波长信息而非光强，因此不受物体表面颜色、反光特性影响。这一特性使其能够测量传统激光传感器难以应对的材料，包括高反光金属镜面、强吸光黑色橡胶、透明玻璃和薄膜等。

在芯片贴片检测案例中，传感器成功应对了高反光基座、黑色封装材料以及透明胶水等多种材质共存的应用场景。实验表明，即使是同时包含黑色吸光材质、高反光材质、透明材质的复杂工件，传感器也能实现精确测量，解决了传统检测方式在面对多材质混合物体时的难题。

此外，海伯森传感器表现出良好的环境稳定性。采用波长调频信号，对环境光干扰不敏感，适合在工业现场复杂光照环境下使用。光纤传输设计还使其抗电磁干扰能力强，传输距离远，便于系统集成。

3.4 系统集成与数据输出

海伯森同轴线光谱传感器采用传感头与控制器分离的设计方案。传感头通过光纤与控制器连接，控制器负责光源提供、光谱分析和数据通信。这种设计使传感头可以做得小巧紧凑，便于集成到自动化设备中。

在数据输出方面，传感器一次扫描可同步输出二维灰度图像和三维点云数据。二维灰度图像反映物体表面的光强分布，可用于分析表面瑕疵、纹理特征；三维点云数据则包含每个测量点的高度信息，可用于测量平面度、高度差、体积等三维参数。这种丰富的数据输出为用户提供了全面的检测信息，便于实现复杂的质量控制需求。

系统的模块化设计也提高了可维护性和可扩展性。

四、海伯森应用案例与实践

4.1 玻璃制品外观与尺寸在线全检方案

挑战：玻璃制品种类繁多（涵盖平面、曲面、异形等）、材质特殊（透明/高反光）、缺陷类型复杂（含划伤、气泡、杂质、崩边、裂纹等），且生产节拍极短（<3s/件），需同步检测外形尺寸、厚度、平面度、轮廓度及各类表面与内部缺陷。

解决方案：采用海伯森高精度线光谱共焦传感器集成于产线上方，配合高速扫描机台，对传送带上连续通过的玻璃制品进行线扫描。系统实时重建玻璃制品完整的三维模型与二维灰度图像，同时基于多维度特征精准识别表面划伤、内部气泡、边缘崩缺等各类缺陷。

价值：实现透明/高反光材质制品的在线100%全自动质检，彻底替代人工目检与抽样测量，有效杜绝带缺陷品流入下道工序。全流程检测数据实时记录，为后续工艺参数优化与模具维护提供数据支撑。

4.2 胶路涂敷在线全检方案

挑战：胶路形态多样（含点胶、线涂、曲面敷料等），胶体特性复杂（透明/半透明、反光、颜色多变），工艺缺陷类型多（含断胶、溢胶、气泡、高度不均、宽度超差等），且生产节拍要求高（<2s/件），需同步检测胶路宽度、高度、轮廓形状、敷胶面积及连续性等关键指标。

解决方案：采用海伯森高精度3D线光谱共焦传感器集成于点胶产线上方，配合高速扫描系统，对流水线上通过的每个产品的胶路进行三维轮廓扫描。系统实时重建胶路的完整三维模型，通过与CAD设计基准或标准样品进行比对，精确计算胶路尺寸偏差，并基于智能算法识别断胶、溢胶、气泡等各类缺陷。

价值：实现胶路涂敷质量的在线100%全自动检测，彻底替代人工抽检与离线测量，有效杜绝胶路不良品流入下道工序。全流程检测数据实时记录并生成工艺分析报告，为点胶参数优化、胶量控制及设备维护提供数据支撑，显著提升产品密封性、粘接质量及外观一致性。

4.3 半导体晶圆与芯片封装在线全检方案

挑战：半导体器件结构高度复杂（含微米级线路、焊盘、TSV等），材质多样（晶圆、金属、介质层），缺陷类型繁多（含刻蚀残留、金属桥接、孔洞、裂纹、污染等），且在洁净环境下要求超高速、非接触式检测（节拍<1s/件），需同步测量关键尺寸（CD）、套刻精度、平面度及纳米级表面缺陷。

解决方案：采用亚微米级3D线光谱共焦传感器集成于晶圆传送平台上方，配合精密运动控制系统，对晶圆表面和芯片封装结构进行高速线扫描。系统通过多波段光谱分析技术，同步重建器件三维形貌与多层结构图像，基于深度学习算法实时比对设计规则（DRC）与CAD基准，精准识别工艺缺陷和尺寸偏差。

价值：实现半导体制造全过程的全自动、非接触式100%质量监控，彻底替代人工抽检与离线测量，有效杜绝缺陷晶圆流入下道工序。全量检测数据实时生成晶圆缺陷MAP与工艺能力分析报告，为光刻参数优化、CMP工艺调整和产线良率提升提供数据支撑，显著降低晶圆报废率。

五. 结论与展望

作为高端工业传感领域的创新者，海伯森技术在线光谱共焦传感领域取得了显著突破。其技术结论可概括为：通过成功应用光谱共焦原理，海伯森传感器克服了传统测量方式在材质适应性、测量效率和精度上的固有瓶颈。该技术对强反光金属、透明玻璃、吸光橡胶等复杂材质均能实现微米级的高精度稳定测量，并凭借数万次/秒的超高速扫描与多维数据同步输出能力，为3C电子、半导体、汽车制造等行业的精密检测提供了高效、可靠的解决方案，显著提升了工业质量控制的自动化与智能化水平。展望未来，海伯森将继续致力于传感技术的迭代与创新，不断优化产品的极限性能、紧凑性与成本效益，以适应更广泛的工业场景；从而不仅巩固其在国产高端传感器市场的领先地位，更旨在全球智能传感技术浪潮中扮演关键驱动者的角色，赋能全球制造业的智能化升级。