傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求?，F(xiàn)如今，傳感器已經(jīng)應(yīng)用于各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，比如工業(yè)生產(chǎn)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程，甚至是人工智能、科學(xué)研究、宇宙開(kāi)發(fā)、文物保護(hù)等等領(lǐng)域，因此可以說(shuō)，沒(méi)有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。
傳感器按功能分類包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)和觸覺(jué)5大類，其中代表視覺(jué)的光敏傳感器擁有低成本和易用性的特點(diǎn)，在檢驗(yàn)、計(jì)量、測(cè)量、定向和瑕疵精密測(cè)量分揀等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域得到推廣和普及。隨著精密制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)精密測(cè)量技術(shù)的要求也越來(lái)越高，利用光學(xué)3D測(cè)量技術(shù)，有助于優(yōu)化從原型和模具構(gòu)建、首件檢驗(yàn)報(bào)告到裝配分析等環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，并有效節(jié)省檢測(cè)時(shí)間，快速推進(jìn)新產(chǎn)品上市，而位移測(cè)量技術(shù)作為幾何量精密測(cè)量的基礎(chǔ)，不僅需要超高測(cè)量精度，而且需要對(duì)環(huán)境和材料的廣泛適應(yīng)性，并且逐步趨于實(shí)時(shí)、無(wú)損檢測(cè)。與傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法相比，共聚焦傳感器具有高速度，高精度，高適應(yīng)性等明顯優(yōu)勢(shì)。
光譜共焦傳感器的原理
利用一種特殊的共焦光學(xué)裝置，將光源射出一束寬光譜的復(fù)色光（呈白色），通過(guò)色散鏡頭發(fā)生光譜色散，量程范圍內(nèi)形成不同波長(zhǎng)的單一顏色的光。每一個(gè)波長(zhǎng)的焦點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)距離值。測(cè)量光射到物體表面被反射回來(lái)，只有滿足共焦條件的單一顏色的光，可以通過(guò)小孔被光譜儀感測(cè)到。通過(guò)計(jì)算被感應(yīng)測(cè)試到的焦點(diǎn)的波長(zhǎng)，換算獲得距離值。光譜共焦法可以保證即使被測(cè)物存在傾斜或者翹曲，也可以精密測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)不會(huì)改變。
因?yàn)榉瓷涔獾墓鈴?qiáng)僅僅取決于反射物體的反光程度，這意味著無(wú)論有多少反射光從被測(cè)物體反射回來(lái)也不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，所以測(cè)量的距離結(jié)果可能是不變的，因此使用光譜共焦傳感器，即使被測(cè)物體是強(qiáng)吸光材料，如黑色橡膠；或者是透明材料，如玻璃或者液體，都可以進(jìn)行正常可靠的測(cè)量。
光譜共焦傳感器的十大優(yōu)點(diǎn)
?分辨率高：理論上波長(zhǎng)可以一直被細(xì)分，因此通過(guò)特殊鏡頭可以輸出相當(dāng)高的分辨率。
?溫度穩(wěn)定性好：內(nèi)部?jī)H有鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鏡頭本身不發(fā)熱，溫度漂移小，對(duì)于微米以及亞微米測(cè)量，溫漂是關(guān)鍵。
?自動(dòng)聚焦：在量程范圍內(nèi)，被測(cè)物的位置高度上下變動(dòng)時(shí)都有相應(yīng)的波長(zhǎng)的光聚焦到物體表面，再反射回接收器。
?橫向分辨率高：從上到下被測(cè)物總是在焦點(diǎn)上，測(cè)量光斑極為微小，因此能分辨被測(cè)物上的微小輪廓變化。
?模塊化小型化：鏡頭和控制器可以通過(guò)光纖連接，傳輸距離遠(yuǎn)，鏡頭可以做得很小，便于并排安裝。
?調(diào)頻抗干擾：波長(zhǎng)是調(diào)頻信號(hào)，對(duì)光強(qiáng)變化等調(diào)幅干擾不敏感。光纖對(duì)電磁干擾、雷電浪涌不敏感。
?透明材料厚度測(cè)量：當(dāng)被測(cè)物透明且有兩個(gè)表面，就會(huì)有兩個(gè)波長(zhǎng)的光返回得到厚度值。
?全息性：理論上任意一束返回光譜分析儀的光線的波長(zhǎng)都攜帶了距離信息，部分光被遮擋影響小。
?安全性高：壽命長(zhǎng)的LED光源，微小功率的白光，比激光對(duì)人眼安全，不受限于激光危害等級(jí)。
?高防護(hù)：控制器高防護(hù)等級(jí)，光纖可提供不銹鋼外套版本，防止蟲(chóng)害鼠咬。
對(duì)比傳統(tǒng)激光位移傳感器
激光位移傳感器一般應(yīng)用于測(cè)量平面物體，而海伯森光譜共焦位移傳感器采用同軸測(cè)量結(jié)構(gòu)，擁有更為寬廣的角度特性。針對(duì)鏡面表面光譜共焦位移傳感器測(cè)頭最大測(cè)量角度可以達(dá)到±62°，針對(duì)漫反射表面光譜共焦位移傳感器各種測(cè)頭最大測(cè)量角度可以達(dá)到±88°。在測(cè)量非平面時(shí)不會(huì)出現(xiàn)受回光產(chǎn)生相差的影響，即使被測(cè)物存在過(guò)大傾角或曲面，也可以進(jìn)行高精度的形狀測(cè)量，比如現(xiàn)在工業(yè)檢測(cè)中的3D玻璃輪廓、點(diǎn)膠膠水高度及高光金屬表面段差，這些都需要用到高精度測(cè)量?jī)x輸出3D測(cè)量數(shù)據(jù)。
激光位移傳感器一般采用三角定位測(cè)距的原理測(cè)量，而海伯森光譜共焦位移傳感器依靠共聚焦效應(yīng)，通過(guò)特殊透鏡將光反射聚焦，實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度的3D測(cè)量。相比較傳統(tǒng)激光位移傳感器輸出光斑較大的問(wèn)題，海伯森光譜共焦位移傳感器測(cè)量光斑最小可達(dá)到2.48um，測(cè)量分辨率達(dá)到納米級(jí)，其具有收光能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，有效解決了微小幾何結(jié)構(gòu)和輪廓變化物體的測(cè)量難題。在測(cè)量段差及間隙時(shí)，即使在多面反射的情況下也能實(shí)現(xiàn)輪廓保真和邊緣位置精確，可以測(cè)出清晰的外形輪廓，保證精密測(cè)量。
傳統(tǒng)激光位移傳感器測(cè)量兼容性弱，在測(cè)量不同材質(zhì)表面時(shí)需要反復(fù)更換測(cè)頭和安裝方式；而海伯森光譜共焦傳感器可同時(shí)兼容位移測(cè)量模式和厚度測(cè)量模式，對(duì)不同表面、具有多種角度，甚至是多重材料混合的被測(cè)物都可以無(wú)需更換測(cè)頭和在固定點(diǎn)位進(jìn)行穩(wěn)定測(cè)量。海伯森光譜共焦傳感器擁有非常高的掃描精度，可以完美匹配在粗糙度測(cè)量的應(yīng)用上，比如攝像頭模組、鏡片和托圈和lOGO段差等特定場(chǎng)景的精密測(cè)量。
傳統(tǒng)激光位移傳感器只能在固定安裝位測(cè)量，且在數(shù)據(jù)輸出時(shí)都需要加較高數(shù)值的移動(dòng)平均，因此難以解決傳統(tǒng)方式使用軟觸發(fā)測(cè)量效率低、穩(wěn)定性差以及同步性差的問(wèn)題；而光譜共焦傳感器對(duì)安裝方向和移動(dòng)方向具有極大靈活性，還可以同時(shí)支持四通道同步測(cè)量。海伯森自研光譜共焦位移傳感器編碼控制器，可以實(shí)現(xiàn)單通道最大72kHz/秒的采樣速率，且不受空間和測(cè)量區(qū)域限制，最小線性誤差僅0.3um，可以輕松實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中測(cè)量和一些盲孔、窄縫等狹小區(qū)域測(cè)量；另外海伯森的3D線共焦傳感器，更是可以實(shí)現(xiàn)2048點(diǎn)/線、17000線/秒的極限測(cè)量速率，還可以同步輸出2D/3D圖像，助力工業(yè)精密3D測(cè)量！
傳統(tǒng)的激光位移傳感器還會(huì)出現(xiàn)因自身發(fā)熱而使夾具產(chǎn)生形變、光軸偏移等問(wèn)題，容易出現(xiàn)測(cè)量誤差；海伯森光譜共焦傳感器傳感頭內(nèi)部?jī)H有鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于沒(méi)有電子元件，不發(fā)熱，所以不會(huì)產(chǎn)生安裝探頭的夾具形變情況，而對(duì)于微米以及亞微米測(cè)量，溫漂是關(guān)鍵，溫度漂移小可實(shí)現(xiàn)理想的高精度檢測(cè)。
光譜共焦傳感器在精密測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用
隨著3C產(chǎn)品外型設(shè)計(jì)的飛速更新，材料工藝的不斷升級(jí)，近年來(lái)3C產(chǎn)品在加工制造過(guò)程中的自動(dòng)化測(cè)量越來(lái)越多地使用光譜共焦傳感器，光譜共焦位移傳感器發(fā)揮了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。海伯森光譜共焦傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于手機(jī)表面輪廓、手機(jī)芯片、中框段差、LOGO。段差、攝像頭模組、以及涂膠缺陷等精密測(cè)量場(chǎng)景。
▲海伯森3D線光譜共焦傳感器HPS-CFL1000手機(jī)背板實(shí)測(cè)
在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造、封裝中的各個(gè)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行反復(fù)多次的檢測(cè)、測(cè)試以確保產(chǎn)品質(zhì)量，從而研發(fā)出符合系統(tǒng)要求的器件。缺陷相關(guān)的故障成本高昂，從IC級(jí)別的數(shù)十美元，到模塊級(jí)別的數(shù)百美元，乃至應(yīng)用端級(jí)別的數(shù)千美元。因此，檢測(cè)設(shè)備從設(shè)計(jì)驗(yàn)證到整個(gè)半導(dǎo)體制造過(guò)程都具有無(wú)法替代的重要地位。海伯森光譜共焦傳感器以其高分辨率、高精確度和穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，在晶圓表面輪廓、芯片封膠檢測(cè)和錫球引線焊接等精密測(cè)量應(yīng)用中扮演著非常重要的角色。
▲海伯森光譜共焦傳感器檢測(cè)晶圓
模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，被稱為“工業(yè)之母”。模具應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，75%的粗加工工業(yè)零件、50%的精加工零件由模具成型，絕大部分塑料制品也由模具成型。隨著工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，模具外形輪廓也日趨多樣，幾何形狀日趨復(fù)雜，自由曲面占比不斷增加。為此，對(duì)精密、復(fù)雜模具的制造、加工和尺寸檢測(cè)也提出了更高的要求。
▲海伯森光譜共焦位移傳感器螺絲輪廓檢測(cè)
在醫(yī)用檢測(cè)領(lǐng)域，光譜共焦傳感器可以解決醫(yī)用薄膜表面瑕疵測(cè)量和厚度測(cè)量的問(wèn)題。在薄膜的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，受多重因素影響，薄膜表面會(huì)出現(xiàn)諸如孔洞、晶點(diǎn)、劃傷、裂縫、斑點(diǎn)等瑕疵，而人眼不能及時(shí)準(zhǔn)確判斷；包裝材料厚度是否均勻是檢測(cè)其各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)，薄膜材料厚度不均，會(huì)影響到阻隔性、拉伸強(qiáng)度等性能；對(duì)材料厚度實(shí)施高精度控制也是確保質(zhì)量與控制成本的重要手段。通用薄膜測(cè)量的需求為微米級(jí)，海伯森技術(shù)光譜共焦傳感器具有超高分辨率，檢測(cè)精度可達(dá)到50nm！
▲海伯森光譜共焦位移傳感器薄膜測(cè)量
海伯森光譜共焦傳感器可檢測(cè)任何材質(zhì)和表面：包括鏡面、玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、高光金屬等表面均可進(jìn)行納米級(jí)測(cè)量；超高采樣頻率可用于生產(chǎn)線，替代人工并提高合格率，且測(cè)量范圍極廣，幾乎無(wú)死角，可解決激光三角法測(cè)量無(wú)法回避的因表面材質(zhì)變化或傾斜而導(dǎo)致測(cè)量誤差等問(wèn)題；可進(jìn)行透明工件多層厚度的精確測(cè)量，也可用于實(shí)驗(yàn)室的2D輪廓測(cè)量、3D微觀形貌分析、表面粗糙度測(cè)量，到工業(yè)在線檢測(cè)、自動(dòng)化控制等。
海伯森技術(shù)光譜共焦傳感器系列參數(shù)介紹
▲光譜共焦位移傳感器HPS-CF系列（2020年上市）
▲3D線光譜共焦傳感器HPS-CFL系列（2021年上市，國(guó)內(nèi)首臺(tái)）
小結(jié)
高端裝備最本質(zhì)的特征是高質(zhì)量。我國(guó)裝備制造要由中低端向中高端邁進(jìn)，首先要解決制造質(zhì)量問(wèn)題，其核心關(guān)鍵是解決超精密測(cè)量能力問(wèn)題，我國(guó)現(xiàn)階段須迫切完成的任務(wù)是，國(guó)家加強(qiáng)對(duì)智能制造的推動(dòng)引導(dǎo)，企業(yè)自發(fā)提升創(chuàng)新研發(fā)能力。作為致力突破高端智能傳感器技術(shù)卡脖子的國(guó)產(chǎn)傳感器企業(yè)的堅(jiān)定執(zhí)行者之一，海伯森將持續(xù)探索、整合和利用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，在高端智能傳感器的國(guó)產(chǎn)化賽道上，心無(wú)旁騖地精耕細(xì)作，進(jìn)而完成從技術(shù)積累、技術(shù)突破到市場(chǎng)認(rèn)可的三級(jí)跳，助力高端智能傳感器國(guó)產(chǎn)化替代的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，為工業(yè)高效生產(chǎn)提供高端智能傳感技術(shù)服務(wù)，為國(guó)家的新基建發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的布局提供源源不斷的動(dòng)力。
海伯森技術(shù)其他傳感器產(chǎn)品
海伯森作為國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，擁有高端傳感器產(chǎn)品的全套研發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)能力，企業(yè)已經(jīng)通過(guò)ISO9001質(zhì)量管理體系認(rèn)證和ISO14001環(huán)境管理體系認(rèn)證，累計(jì)獲得數(shù)十項(xiàng)專利和軟件著作權(quán)。目前，公司主要產(chǎn)品除了光譜共焦傳感器系列，還有機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的超高速工業(yè)相機(jī)，力學(xué)應(yīng)用的六維力傳感器，激光傳感器領(lǐng)域的激光對(duì)針傳感器、面陣固態(tài)激光雷達(dá)和單點(diǎn)ToF測(cè)距傳感器等多款產(chǎn)品，且被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、AGV、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
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