在工業(yè)檢測領(lǐng)域，對物體表面三維形貌進(jìn)行精確測量一直是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。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(fù)雜幾何形狀工件的大量應(yīng)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(shù)作為一種非接觸式光學(xué)測量方法，因其高精度和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，逐漸成為精密測量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文首先從物理光學(xué)與信息論角度解釋其原理；其次闡述海伯森傳感器在光、機(jī)、電、算一體化系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)突破，繼而對其核心性能參數(shù)（重復(fù)精度、抗干擾能力、測量速度）進(jìn)行分析，最后通過（玻璃、半導(dǎo)體、膠路等）領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例，具體驗(yàn)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(xué)測量是現(xiàn)代質(zhì)量管控的主流方法。現(xiàn)有技術(shù)如激光三角測量（精度受環(huán)境影響較大）、結(jié)構(gòu)光投影（復(fù)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(shù)有著更高要求，使其技術(shù)無法突破，頻頻面臨技術(shù)瓶頸。

海伯森技術(shù)（深圳）有限公司通過技術(shù)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(chǎn)品，將點(diǎn)共焦改進(jìn)為線共焦，配合高精度掃描機(jī)臺，實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)到線、再從線到面的快速三維形貌重建。這種技術(shù)突破不僅顯著提高了檢測效率，同時保持了光譜共焦技術(shù)高精度和強(qiáng)抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn)，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(xué)尺”；測量時，只有物體表面所在位置對應(yīng)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(yù)先標(biāo)定的波長-距離關(guān)系，直接、精確地計(jì)算出物體的距離或高度。

二、從點(diǎn)到面的逐步形成

將單點(diǎn)成像逐步擴(kuò)展到面成像，主要是將可視范圍內(nèi)所有不同坐標(biāo)的點(diǎn)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(diǎn)”到“面”的逐步形成，是一個基于核心技術(shù)原理、通過精密光學(xué)與機(jī)械系統(tǒng)集成、最終實(shí)現(xiàn)三維形貌重構(gòu)的系統(tǒng)性工程。其起點(diǎn)是點(diǎn)光譜共焦技術(shù)的成熟應(yīng)用。該技術(shù)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(diǎn)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(zhuǎn)化為精確的距離信息，實(shí)現(xiàn)對單個點(diǎn)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(fù)雜材質(zhì)的單點(diǎn)精密測量難題。

然而，單點(diǎn)測量效率低下，無法滿足對物體表面形貌進(jìn)行快速掃描的需求。于是，技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從“點(diǎn)”到“線”的關(guān)鍵跨越。海伯森通過精妙的光學(xué)設(shè)計(jì)，將點(diǎn)光源擴(kuò)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(dú)立的測量“點(diǎn)”構(gòu)成，每個點(diǎn)都遵循光譜共焦原理。傳感器內(nèi)部的精密光譜儀可以并行處理整條線上所有反射點(diǎn)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(diǎn)的三維坐標(biāo)（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(shè)計(jì)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(jìn)行完美測量。

最終，從“線”到“面”的形成，依賴于一維掃描運(yùn)動與強(qiáng)大的數(shù)據(jù)拼接技術(shù)。當(dāng)傳感器搭載的線白光，通過機(jī)械軸帶動或本身在高速產(chǎn)線上移動，相對于被測物體進(jìn)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(jī)系統(tǒng)接收到的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再根據(jù)掃描運(yùn)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(jìn)行精準(zhǔn)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(gòu)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(diǎn)”到輪廓“線”，再到完整三維“面”的轉(zhuǎn)變，實(shí)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(fù)精度最高可達(dá)0.1μm，X方向最小點(diǎn)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(diǎn)的高度變化等。

在實(shí)際應(yīng)用中，如PCB過孔檢測案例所示，傳感器設(shè)置橫向測量點(diǎn)2048個，采樣點(diǎn)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(diǎn)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(yán)苛要求。

高精度的實(shí)現(xiàn)得益于海伯森的幾項(xiàng)核心技術(shù)：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(shè)計(jì)減少像差和畸變；三是專利的算法處理技術(shù)，能夠準(zhǔn)確將光譜信號轉(zhuǎn)換為位置信息。

3.2 測量效率與速度

在工業(yè)檢測應(yīng)用中，測量效率直接影響到生產(chǎn)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(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，相比單點(diǎn)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(dá)35,000線/秒，而更新的LCX3000型號更是實(shí)現(xiàn)了超高速掃描能力，大幅提高了檢測效率。

在實(shí)際部署中，傳感器通常配合機(jī)臺掃描運(yùn)動或固定于高速產(chǎn)線上，實(shí)現(xiàn)整個物體表面的三維形貌重構(gòu)。例如，在芯片貼片檢測中，傳感器從基板最左側(cè)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(yīng)在線檢測的高速節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)對每個工件的全檢而非抽檢，顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量控制水平。

3.3 材質(zhì)適應(yīng)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(zhì)適應(yīng)性。由于采用光譜共焦原理，其測量結(jié)果基于波長信息而非光強(qiáng)，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(yīng)對的材料，包括高反光金屬鏡面、強(qiáng)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(yīng)對了高反光基座、黑色封裝材料以及透明膠水等多種材質(zhì)共存的應(yīng)用場景。實(shí)驗(yàn)表明，即使是同時包含黑色吸光材質(zhì)、高反光材質(zhì)、透明材質(zhì)的復(fù)雜工件，傳感器也能實(shí)現(xiàn)精確測量，解決了傳統(tǒng)檢測方式在面對多材質(zhì)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(diào)頻信號，對環(huán)境光干擾不敏感，適合在工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜光照環(huán)境下使用。光纖傳輸設(shè)計(jì)還使其抗電磁干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，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(shè)計(jì)方案。傳感頭通過光纖與控制器連接，控制器負(fù)責(zé)光源提供、光譜分析和數(shù)據(jù)通信。這種設(shè)計(jì)使傳感頭可以做得小巧緊湊，便于集成到自動化設(shè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)。二維灰度圖像反映物體表面的光強(qiáng)分布，可用于分析表面瑕疵、紋理特征；三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)則包含每個測量點(diǎn)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的質(zhì)量控制需求。

系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)也提高了可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

四、海伯森應(yīng)用案例與實(shí)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(zhì)特殊（透明/高反光）、缺陷類型復(fù)雜（含劃傷、氣泡、雜質(zhì)、崩邊、裂紋等），且生產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)線上方，配合高速掃描機(jī)臺，對傳送帶上連續(xù)通過的玻璃制品進(jìn)行線掃描。系統(tǒng)實(shí)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(zhǔn)識別表面劃傷、內(nèi)部氣泡、邊緣崩缺等各類缺陷。

價值：實(shí)現(xiàn)透明/高反光材質(zhì)制品的在線100%全自動質(zhì)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(shí)時記錄，為后續(xù)工藝參數(shù)優(yōu)化與模具維護(hù)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(diǎn)膠、線涂、曲面敷料等），膠體特性復(fù)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(chǎn)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(guān)鍵指標(biāo)。

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(diǎn)膠產(chǎn)線上方，配合高速掃描系統(tǒng)，對流水線上通過的每個產(chǎn)品的膠路進(jìn)行三維輪廓掃描。系統(tǒng)實(shí)時重建膠路的完整三維模型，通過與CAD設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比對，精確計(jì)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(shí)現(xiàn)膠路涂敷質(zhì)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(shí)時記錄并生成工藝分析報(bào)告，為點(diǎn)膠參數(shù)優(yōu)化、膠量控制及設(shè)備維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，顯著提升產(chǎn)品密封性、粘接質(zhì)量及外觀一致性。

4.3 半導(dǎo)體晶圓與芯片封裝在線全檢方案

挑戰(zhàn)：半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜（含微米級線路、焊盤、TSV等），材質(zhì)多樣（晶圓、金屬、介質(zhì)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(guān)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(yùn)動控制系統(tǒng)，對晶圓表面和芯片封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行高速線掃描。系統(tǒng)通過多波段光譜分析技術(shù)，同步重建器件三維形貌與多層結(jié)構(gòu)圖像，基于深度學(xué)習(xí)算法實(shí)時比對設(shè)計(jì)規(guī)則（DRC）與CAD基準(zhǔn)，精準(zhǔn)識別工藝缺陷和尺寸偏差。

價值：實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造全過程的全自動、非接觸式100%質(zhì)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(shí)時生成晶圓缺陷MAP與工藝能力分析報(bào)告，為光刻參數(shù)優(yōu)化、CMP工藝調(diào)整和產(chǎn)線良率提升提供數(shù)據(jù)支撐，顯著降低晶圓報(bào)廢率。

五. 結(jié)論與展望

作為高端工業(yè)傳感領(lǐng)域的創(chuàng)新者，海伯森技術(shù)在線光譜共焦傳感領(lǐng)域取得了顯著突破。其技術(shù)結(jié)論可概括為：通過成功應(yīng)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(zhì)適應(yīng)性、測量效率和精度上的固有瓶頸。該技術(shù)對強(qiáng)反光金屬、透明玻璃、吸光橡膠等復(fù)雜材質(zhì)均能實(shí)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(dǎo)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(zhì)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(shù)的迭代與創(chuàng)新，不斷優(yōu)化產(chǎn)品的極限性能、緊湊性與成本效益，以適應(yīng)更廣泛的工業(yè)場景；從而不僅鞏固其在國產(chǎn)高端傳感器市場的領(lǐng)先地位，更旨在全球智能傳感技術(shù)浪潮中扮演關(guān)鍵驅(qū)動者的角色，賦能全球制造業(yè)的智能化升級。