傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。現如今，傳感器已經應用于各種復雜的工程系統，比如工業生產、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程，甚至是人工智能、科學研究、宇宙開發、文物保護等等領域，因此可以說，沒有眾多的優良的傳感器，現代化生產也就失去了基礎。

傳感器按功能分類包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺5大類，其中代表視覺的光敏傳感器擁有低成本和易用性的特點，在檢驗、計量、測量、定向和瑕疵精密測量分揀等工業應用領域得到推廣和普及。隨著精密制造業的發展，對精密測量技術的要求也越來越高，利用光學3D測量技術，有助于優化從原型和模具構建、首件檢驗報告到裝配分析等環節的質量控制，并有效節省檢測時間，快速推進新產品上市，而位移測量技術作為幾何量精密測量的基礎，不僅需要超高測量精度，而且需要對環境和材料的廣泛適應性，并且逐步趨于實時、無損檢測。與傳統接觸式測量方法相比，共聚焦傳感器具有高速度，高精度，高適應性等明顯優勢。

光譜共焦傳感器的原理

  利用一種特殊的共焦光學裝置，將光源射出一束寬光譜的復色光（呈白色），通過色散鏡頭發生光譜色散，量程范圍內形成不同波長的單一顏色的光。每一個波長的焦點都對應一個距離值。測量光射到物體表面被反射回來，只有滿足共焦條件的單一顏色的光，可以通過小孔被光譜儀感測到。通過計算被感應測試到的焦點的波長，換算獲得距離值。光譜共焦法可以保證即使被測物存在傾斜或者翹曲，也可以精密測量，測量點不會改變。

因為反射光的光強僅僅取決于反射物體的反光程度，這意味著無論有多少反射光從被測物體反射回來也不會影響測量結果，所以測量的距離結果可能是不變的，因此使用光譜共焦傳感器，即使被測物體是強吸光材料，如黑色橡膠；或者是透明材料，如玻璃或者液體，都可以進行正常可靠的測量。

光譜共焦傳感器的十大優點

  ?分辨率高：理論上波長可以一直被細分，因此通過特殊鏡頭可以輸出相當高的分辨率。

?溫度穩定性好：內部僅有鏡頭結構設計，鏡頭本身不發熱，溫度漂移小，對于微米以及亞微米測量，溫漂是關鍵。

?自動聚焦：在量程范圍內，被測物的位置高度上下變動時都有相應的波長的光聚焦到物體表面，再反射回接收器。

?橫向分辨率高：從上到下被測物總是在焦點上，測量光斑極為微小，因此能分辨被測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光纖連接，傳輸距離遠，鏡頭可以做得很小，便于并排安裝。

?調頻抗干擾：波長是調頻信號，對光強變化等調幅干擾不敏感。光纖對電磁干擾、雷電浪涌不敏感。

?透明材料厚度測量：當被測物透明且有兩個表面，就會有兩個波長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都攜帶了距離信息，部分光被遮擋影響小。

?安全性高：壽命長的LED光源，微小功率的白光，比激光對人眼安全，不受限于激光危害等級。

?高防護：控制器高防護等級，光纖可提供不銹鋼外套版本，防止蟲害鼠咬。

對比傳統激光位移傳感器

  激光位移傳感器一般應用于測量平面物體，而海伯森光譜共焦位移傳感器采用同軸測量結構，擁有更為寬廣的角度特性。針對鏡面表面光譜共焦位移傳感器測頭最大測量角度可以達到±62°，針對漫反射表面光譜共焦位移傳感器各種測頭最大測量角度可以達到±88°。在測量非平面時不會出現受回光產生相差的影響，即使被測物存在過大傾角或曲面，也可以進行高精度的形狀測量，比如現在工業檢測中的3D玻璃輪廓、點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量儀輸出3D測量數據。

激光位移傳感器一般采用三角定位測距的原理測量，而海伯森光譜共焦位移傳感器依靠共聚焦效應，通過特殊透鏡將光反射聚焦，實現高分辨率和高精度的3D測量。相比較傳統激光位移傳感器輸出光斑較大的問題，海伯森光譜共焦位移傳感器測量光斑最小可達到2.48um，測量分辨率達到納米級，其具有收光能力強、系統穩定性高的特點，有效解決了微小幾何結構和輪廓變化物體的測量難題。在測量段差及間隙時，即使在多面反射的情況下也能實現輪廓保真和邊緣位置精確，可以測出清晰的外形輪廓，保證精密測量。

傳統激光位移傳感器測量兼容性弱，在測量不同材質表面時需要反復更換測頭和安裝方式；而海伯森光譜共焦傳感器可同時兼容位移測量模式和厚度測量模式，對不同表面、具有多種角度，甚至是多重材料混合的被測物都可以無需更換測頭和在固定點位進行穩定測量。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量的應用上，比如攝像頭模組、鏡片和托圈和lOGO段差等特定場景的精密測量。

傳統激光位移傳感器只能在固定安裝位測量，且在數據輸出時都需要加較高數值的移動平均，因此難以解決傳統方式使用軟觸發測量效率低、穩定性差以及同步性差的問題；而光譜共焦傳感器對安裝方向和移動方向具有極大靈活性，還可以同時支持四通道同步測量。海伯森自研光譜共焦位移傳感器編碼控制器，可以實現單通道最大72kHz/秒的采樣速率，且不受空間和測量區域限制，最小線性誤差僅0.3um，可以輕松實現運動中測量和一些盲孔、窄縫等狹小區域測量；另外海伯森的3D線共焦傳感器，更是可以實現2048點/線、17000線/秒的極限測量速率，還可以同步輸出2D/3D圖像，助力工業精密3D測量！

傳統的激光位移傳感器還會出現因自身發熱而使夾具產生形變、光軸偏移等問題，容易出現測量誤差；海伯森光譜共焦傳感器傳感頭內部僅有鏡頭結構設計，由于沒有電子元件，不發熱，所以不會產生安裝探頭的夾具形變情況，而對于微米以及亞微米測量，溫漂是關鍵，溫度漂移小可實現理想的高精度檢測。

光譜共焦傳感器在精密測量領域的應用

  隨著3C產品外型設計的飛速更新，材料工藝的不斷升級，近年來3C產品在加工制造過程中的自動化測量越來越多地使用光譜共焦傳感器，光譜共焦位移傳感器發揮了其獨特的優勢。海伯森光譜共焦傳感器已經被廣泛應用于手機表面輪廓、手機芯片、中框段差、LOGO。段差、攝像頭模組、以及涂膠缺陷等精密測量場景。

▲海伯森3D線光譜共焦傳感器HPS-CFL1000手機背板實測

在半導體設計、制造、封裝中的各個環節都要進行反復多次的檢測、測試以確保產品質量，從而研發出符合系統要求的器件。缺陷相關的故障成本高昂，從IC級別的數十美元，到模塊級別的數百美元，乃至應用端級別的數千美元。因此，檢測設備從設計驗證到整個半導體制造過程都具有無法替代的重要地位。海伯森光譜共焦傳感器以其高分辨率、高精確度和穩定可靠的優勢，在晶圓表面輪廓、芯片封膠檢測和錫球引線焊接等精密測量應用中扮演著非常重要的角色。

▲海伯森光譜共焦傳感器檢測晶圓

模具是工業生產的基礎工藝裝備，被稱為“工業之母”。模具應用領域廣泛，75%的粗加工工業零件、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。隨著工業產品的結構設計越來越復雜，模具外形輪廓也日趨多樣，幾何形狀日趨復雜，自由曲面占比不斷增加。為此，對精密、復雜模具的制造、加工和尺寸檢測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

在醫用檢測領域，光譜共焦傳感器可以解決醫用薄膜表面瑕疵測量和厚度測量的問題。在薄膜的實際生產過程中，受多重因素影響，薄膜表面會出現諸如孔洞、晶點、劃傷、裂縫、斑點等瑕疵，而人眼不能及時準確判斷；包裝材料厚度是否均勻是檢測其各項性能的基礎，薄膜材料厚度不均，會影響到阻隔性、拉伸強度等性能；對材料厚度實施高精度控制也是確保質量與控制成本的重要手段。通用薄膜測量的需求為微米級，海伯森技術光譜共焦傳感器具有超高分辨率，檢測精度可達到50nm！

▲海伯森光譜共焦位移傳感器薄膜測量

海伯森光譜共焦傳感器可檢測任何材質和表面：包括鏡面、玻璃、陶瓷、半導體、高光金屬等表面均可進行納米級測量；超高采樣頻率可用于生產線，替代人工并提高合格率，且測量范圍極廣，幾乎無死角，可解決激光三角法測量無法回避的因表面材質變化或傾斜而導致測量誤差等問題；可進行透明工件多層厚度的精確測量，也可用于實驗室的2D輪廓測量、3D微觀形貌分析、表面粗糙度測量，到工業在線檢測、自動化控制等。

海伯森技術光譜共焦傳感器系列參數介紹

▲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，國內首臺）

小結

  高端裝備最本質的特征是高質量。我國裝備制造要由中低端向中高端邁進，首先要解決制造質量問題，其核心關鍵是解決超精密測量能力問題，我國現階段須迫切完成的任務是，國家加強對智能制造的推動引導，企業自發提升創新研發能力。作為致力突破高端智能傳感器技術卡脖子的國產傳感器企業的堅定執行者之一，海伯森將持續探索、整合和利用國內外先進技術，在高端智能傳感器的國產化賽道上，心無旁騖地精耕細作，進而完成從技術積累、技術突破到市場認可的三級跳，助力高端智能傳感器國產化替代的目標實現，為工業高效生產提供高端智能傳感技術服務，為國家的新基建發展，工業互聯網的布局提供源源不斷的動力。

海伯森技術其他傳感器產品

  海伯森作為國家高新技術企業，擁有高端傳感器產品的全套研發和規模化生產能力，企業已經通過ISO9001質量管理體系認證和ISO14001環境管理體系認證，累計獲得數十項專利和軟件著作權。目前，公司主要產品除了光譜共焦傳感器系列，還有機器視覺系統的超高速工業相機，力學應用的六維力傳感器，激光傳感器領域的激光對針傳感器、面陣固態激光雷達和單點ToF測距傳感器等多款產品，且被廣泛應用于工業自動化檢測、機器人、無人機、AGV、智能交通、物聯網、消費電子等領域。

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