在工業(yè)檢測領域，對物體表面三維形貌進行精確測量一直是行業(yè)關注的焦點。特別是在現(xiàn)代制造業(yè)中，隨著透明材料、高反光表面以及復雜幾何形狀工件的大量應用，傳統(tǒng)檢測方式已難以滿足高精度、高效率的檢測需求。光譜共焦測量技術作為一種非接觸式光學測量方法，因其高精度和抗干擾能力強等特點，逐漸成為精密測量領域的研究熱點。

本文首先從物理光學與信息論角度解釋其原理；其次闡述海伯森傳感器在光、機、電、算一體化系統(tǒng)中關鍵技術突破，繼而對其核心性能參數(shù)（重復精度、抗干擾能力、測量速度）進行分析，最后通過（玻璃、半導體、膠路等）領域的典型應用案例，具體驗證在線/離線檢測場景下的有效性與優(yōu)越性，并討論未來其發(fā)展方向。

三維形貌的非接觸式光學測量是現(xiàn)代質量管控的主流方法?，F(xiàn)有技術如激光三角測量（精度受環(huán)境影響較大）、結構光投影（復雜表面影響精度）等，或因精度而犧牲速度、方向受限而檢測有死角等。尤其在高速在線檢測，對其技術有著更高要求，使其技術無法突破，頻頻面臨技術瓶頸。

海伯森技術（深圳）有限公司通過技術創(chuàng)新，成功開發(fā)了基于線共聚焦的3D線光譜共焦傳感器系列產品，將點共焦改進為線共焦，配合高精度掃描機臺，實現(xiàn)了從點到線、再從線到面的快速三維形貌重建。這種技術突破不僅顯著提高了檢測效率，同時保持了光譜共焦技術高精度和強抗干擾能力的優(yōu)點，為現(xiàn)代制造業(yè)提供了一種全新的高效精密測量解決方案。

一、色散共焦系統(tǒng)核心原理

利用特殊透鏡的色差，將不同波長（ λ）的光聚焦在光軸上的不同位置，形成一把由顏色編碼的“光學尺”；測量時，只有物體表面所在位置對應的特定波長光能被精確聚焦并反射，系統(tǒng)通過分析反射光中的峰值波長，即可根據(jù)預先標定的波長-距離關系，直接、精確地計算出物體的距離或高度。

二、從點到面的逐步形成

將單點成像逐步擴展到面成像，主要是將可視范圍內所有不同坐標的點匯集成面像，那就要區(qū)分XY的光譜信號。

海伯森用以下方式來解決此類問題

海伯森同軸線光譜傳感器從“點”到“面”的逐步形成，是一個基于核心技術原理、通過精密光學與機械系統(tǒng)集成、最終實現(xiàn)三維形貌重構的系統(tǒng)性工程。其起點是點光譜共焦技術的成熟應用。該技術的核心原理是利用白光光源通過特殊色散透鏡，形成一組按波長在光軸上精確聚焦的焦點序列。傳感器通過分析被測表面反射光的光譜，精確判定其波長成分，從而將光的波長信息轉化為精確的距離信息，實現(xiàn)對單個點的納米級精度測距。這一階段的突破在于解決了對高反光、透明、多層玻璃等復雜材質的單點精密測量難題。

然而，單點測量效率低下，無法滿足對物體表面形貌進行快速掃描的需求。于是，技術實現(xiàn)了從“點”到“線”的關鍵跨越。海伯森通過精妙的光學設計，將點光源擴展為一條狹長的線白光。這條線白光并非簡單的一條光帶，而是由數(shù)千個緊密排列的、獨立的測量“點”構成，每個點都遵循光譜共焦原理。傳感器內部的精密光譜儀可以并行處理整條線上所有反射點的光譜信號，從而在一次曝光瞬間，同時獲取一條直線上數(shù)千個點的三維坐標（X, Z軸信息）。這就是HPS-LCX系列同軸線光譜共焦傳感器，其“同軸”設計使得測量光線與被測表面法線方向一致，徹底消除了測量盲區(qū)，即使對深孔、陡峭邊緣也能進行完美測量。

最終，從“線”到“面”的形成，依賴于一維掃描運動與強大的數(shù)據(jù)拼接技術。當傳感器搭載的線白光，通過機械軸帶動或本身在高速產線上移動，相對于被測物體進行勻速掃描時，它便會以極高的頻率（如每秒數(shù)萬線）連續(xù)采集無數(shù)條相鄰的測量線數(shù)據(jù)。每一條線都提供了物體一個橫斷面的輪廓信息。上位機系統(tǒng)接收到的海量點云數(shù)據(jù)，再根據(jù)掃描運動的精確軌跡（由編碼器精確定位），將每條線的數(shù)據(jù)按其空間位置進行精準對齊與拼接。這個過程如同“織布”，一條條“線”被緊密地編織在一起，最終構建出完整、連續(xù)且包含豐富高度信息的三維表面形貌圖（即“面”）。至此，海伯森傳感器完成了從孤立“點”到輪廓“線”，再到完整三維“面”的轉變，實現(xiàn)了對物體表面微觀到宏觀的綜合精密測量能力。

三、性能系統(tǒng)分析

3.1 測量精度與分辨率

海伯森同軸線光譜傳感器在測量精度方面表現(xiàn)卓越，其Z軸重復精度最高可達0.1μm，X方向最小點間隔為1.1μm（LCX1000型號）。這一高精度特性使其能夠檢測微小的表面形貌變化，如PCB過孔的深度差異、芯片焊點的高度變化等。

在實際應用中，如PCB過孔檢測案例所示，傳感器設置橫向測量點2048個，采樣點間隔1.1μm，線間隔4μm，能夠清晰分辨過孔的微觀特征。通過3D點云數(shù)據(jù)的顏色區(qū)分，可以直觀顯示PCB板不同位置的高度變化，精度足以滿足高速PCB對過孔深度的嚴苛要求。

高精度的實現(xiàn)得益于海伯森的幾項核心技術：一是采用狹縫濾光器置于第二色散透鏡組的焦平面處，有效濾除非聚焦波長的雜散光，提高信噪比；二是利用共軸光路設計減少像差和畸變；三是專利的算法處理技術，能夠準確將光譜信號轉換為位置信息。

3.2 測量效率與速度

在工業(yè)檢測應用中，測量效率直接影響到生產節(jié)拍和檢測成本。海伯森同軸線光譜傳感器采用線掃描方式，一次性獲取整條線2048個點的三維數(shù)據(jù)，相比單點掃描方式，效率提升數(shù)個數(shù)量級。HPS-LCX1000最高掃描速率可達35,000線/秒，而更新的LCX3000型號更是實現(xiàn)了超高速掃描能力，大幅提高了檢測效率。

在實際部署中，傳感器通常配合機臺掃描運動或固定于高速產線上，實現(xiàn)整個物體表面的三維形貌重構。例如，在芯片貼片檢測中，傳感器從基板最左側開始直線掃描，快速完成整個基板多個檢測區(qū)域的數(shù)據(jù)采集與處理。這種高效率使傳感器能夠適應在線檢測的高速節(jié)拍，實現(xiàn)對每個工件的全檢而非抽檢，顯著提升產品質量控制水平。

3.3 材質適應性與環(huán)境穩(wěn)定性

海伯森同軸線光譜傳感器的一大優(yōu)勢是其卓越的材質適應性。由于采用光譜共焦原理，其測量結果基于波長信息而非光強，因此不受物體表面顏色、反光特性影響。這一特性使其能夠測量傳統(tǒng)激光傳感器難以應對的材料，包括高反光金屬鏡面、強吸光黑色橡膠、透明玻璃和薄膜等。

在芯片貼片檢測案例中，傳感器成功應對了高反光基座、黑色封裝材料以及透明膠水等多種材質共存的應用場景。實驗表明，即使是同時包含黑色吸光材質、高反光材質、透明材質的復雜工件，傳感器也能實現(xiàn)精確測量，解決了傳統(tǒng)檢測方式在面對多材質混合物體時的難題。

此外，海伯森傳感器表現(xiàn)出良好的環(huán)境穩(wěn)定性。采用波長調頻信號，對環(huán)境光干擾不敏感，適合在工業(yè)現(xiàn)場復雜光照環(huán)境下使用。光纖傳輸設計還使其抗電磁干擾能力強，傳輸距離遠，便于系統(tǒng)集成。

3.4 系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)輸出

海伯森同軸線光譜傳感器采用傳感頭與控制器分離的設計方案。傳感頭通過光纖與控制器連接，控制器負責光源提供、光譜分析和數(shù)據(jù)通信。這種設計使傳感頭可以做得小巧緊湊，便于集成到自動化設備中。

在數(shù)據(jù)輸出方面，傳感器一次掃描可同步輸出二維灰度圖像和三維點云數(shù)據(jù)。二維灰度圖像反映物體表面的光強分布，可用于分析表面瑕疵、紋理特征；三維點云數(shù)據(jù)則包含每個測量點的高度信息，可用于測量平面度、高度差、體積等三維參數(shù)。這種豐富的數(shù)據(jù)輸出為用戶提供了全面的檢測信息，便于實現(xiàn)復雜的質量控制需求。

系統(tǒng)的模塊化設計也提高了可維護性和可擴展性。

四、海伯森應用案例與實踐

4.1 玻璃制品外觀與尺寸在線全檢方案

挑戰(zhàn)：玻璃制品種類繁多（涵蓋平面、曲面、異形等）、材質特殊（透明/高反光）、缺陷類型復雜（含劃傷、氣泡、雜質、崩邊、裂紋等），且生產節(jié)拍極短（<3s/件），需同步檢測外形尺寸、厚度、平面度、輪廓度及各類表面與內部缺陷。

解決方案：采用海伯森高精度線光譜共焦傳感器集成于產線上方，配合高速掃描機臺，對傳送帶上連續(xù)通過的玻璃制品進行線掃描。系統(tǒng)實時重建玻璃制品完整的三維模型與二維灰度圖像，同時基于多維度特征精準識別表面劃傷、內部氣泡、邊緣崩缺等各類缺陷。

價值：實現(xiàn)透明/高反光材質制品的在線100%全自動質檢，徹底替代人工目檢與抽樣測量，有效杜絕帶缺陷品流入下道工序。全流程檢測數(shù)據(jù)實時記錄，為后續(xù)工藝參數(shù)優(yōu)化與模具維護提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 膠路涂敷在線全檢方案

挑戰(zhàn)：膠路形態(tài)多樣（含點膠、線涂、曲面敷料等），膠體特性復雜（透明/半透明、反光、顏色多變），工藝缺陷類型多（含斷膠、溢膠、氣泡、高度不均、寬度超差等），且生產節(jié)拍要求高（<2s/件），需同步檢測膠路寬度、高度、輪廓形狀、敷膠面積及連續(xù)性等關鍵指標。

解決方案：采用海伯森高精度3D線光譜共焦傳感器集成于點膠產線上方，配合高速掃描系統(tǒng)，對流水線上通過的每個產品的膠路進行三維輪廓掃描。系統(tǒng)實時重建膠路的完整三維模型，通過與CAD設計基準或標準樣品進行比對，精確計算膠路尺寸偏差，并基于智能算法識別斷膠、溢膠、氣泡等各類缺陷。

價值：實現(xiàn)膠路涂敷質量的在線100%全自動檢測，徹底替代人工抽檢與離線測量，有效杜絕膠路不良品流入下道工序。全流程檢測數(shù)據(jù)實時記錄并生成工藝分析報告，為點膠參數(shù)優(yōu)化、膠量控制及設備維護提供數(shù)據(jù)支撐，顯著提升產品密封性、粘接質量及外觀一致性。

4.3 半導體晶圓與芯片封裝在線全檢方案

挑戰(zhàn)：半導體器件結構高度復雜（含微米級線路、焊盤、TSV等），材質多樣（晶圓、金屬、介質層），缺陷類型繁多（含刻蝕殘留、金屬橋接、孔洞、裂紋、污染等），且在潔凈環(huán)境下要求超高速、非接觸式檢測（節(jié)拍<1s/件），需同步測量關鍵尺寸（CD）、套刻精度、平面度及納米級表面缺陷。

解決方案：采用亞微米級3D線光譜共焦傳感器集成于晶圓傳送平臺上方，配合精密運動控制系統(tǒng)，對晶圓表面和芯片封裝結構進行高速線掃描。系統(tǒng)通過多波段光譜分析技術，同步重建器件三維形貌與多層結構圖像，基于深度學習算法實時比對設計規(guī)則（DRC）與CAD基準，精準識別工藝缺陷和尺寸偏差。

價值：實現(xiàn)半導體制造全過程的全自動、非接觸式100%質量監(jiān)控，徹底替代人工抽檢與離線測量，有效杜絕缺陷晶圓流入下道工序。全量檢測數(shù)據(jù)實時生成晶圓缺陷MAP與工藝能力分析報告，為光刻參數(shù)優(yōu)化、CMP工藝調整和產線良率提升提供數(shù)據(jù)支撐，顯著降低晶圓報廢率。

五. 結論與展望

作為高端工業(yè)傳感領域的創(chuàng)新者，海伯森技術在線光譜共焦傳感領域取得了顯著突破。其技術結論可概括為：通過成功應用光譜共焦原理，海伯森傳感器克服了傳統(tǒng)測量方式在材質適應性、測量效率和精度上的固有瓶頸。該技術對強反光金屬、透明玻璃、吸光橡膠等復雜材質均能實現(xiàn)微米級的高精度穩(wěn)定測量，并憑借數(shù)萬次/秒的超高速掃描與多維數(shù)據(jù)同步輸出能力，為3C電子、半導體、汽車制造等行業(yè)的精密檢測提供了高效、可靠的解決方案，顯著提升了工業(yè)質量控制的自動化與智能化水平。展望未來，海伯森將繼續(xù)致力于傳感技術的迭代與創(chuàng)新，不斷優(yōu)化產品的極限性能、緊湊性與成本效益，以適應更廣泛的工業(yè)場景；從而不僅鞏固其在國產高端傳感器市場的領先地位，更旨在全球智能傳感技術浪潮中扮演關鍵驅動者的角色，賦能全球制造業(yè)的智能化升級。