原创深凹槽光学检测技术及研究现状 —— 激光频率梳 3D 轮廓测量

 2025-6-24 14:48  19 0 分类: 测试测量

引言

深凹槽结构在航空发动机叶片榫槽、模具型腔等关键零部件中广泛应用，其几何参数精度直接影响装备的可靠性与寿命。光学检测技术凭借非接触、高精度等优势，成为深凹槽质量控制的核心手段。随着飞秒激光技术发展，激光频率梳 3D 轮廓测量为深凹槽光学检测带来革命性突破。

传统深凹槽光学检测技术

结构光投影测量

该技术通过投影仪向深凹槽投射正弦条纹图案，相机采集变形条纹后，基于三角测量原理解算三维形貌。典型系统如德国 GOM ATOS，测量深度范围 0 - 300mm，点云分辨率约 0.1mm。但深径比超过 8:1 时，凹槽底部会因光线遮挡形成测量盲区，且条纹图像易受表面反光影响，在铝合金等光亮材质检测中误差可达 ±0.05mm。

光谱共焦测量

利用不同波长激光聚焦于不同深度的特性，通过光谱仪分析反射光波长获取深度信息。探头直径最小可达 1mm，适用于窄深凹槽检测，深度分辨率达 0.1μm。然而，测量速度受限于波长扫描频率（约 100Hz），检测 100mm 深凹槽需 10 秒以上，且对凹槽内壁倾斜角度敏感，超过 30° 时测量精度显著下降。

激光三角测量

采用半导体激光束斜射凹槽表面，CCD 相机接收反射光斑，通过几何关系计算深度。测量范围通常 0 - 200mm，精度 ±0.02mm。但该技术遵循 “远小近大” 成像规律，深凹槽底部光斑成像尺寸缩小，导致信噪比降低，当深径比大于 5:1 时，深度测量误差超过 ±0.1mm。

激光频率梳 3D 轮廓测量技术研究现状

技术原理与系统架构

激光频率梳作为飞秒激光锁模技术的产物，其光谱呈现等间隔梳状频率分布，可实现时间与频率的精准测量。深凹槽检测系统通常采用 1550nm 光频梳光源（重复频率 500MHz），配合二维振镜扫描机构，以 1MHz 采样频率对凹槽内壁进行螺旋扫描。反射光与参考光的干涉信号经光谱仪采集后，通过傅里叶变换解算绝对距离，构建三维点云模型。

关键技术突破

深径比限制突破

美国 NIST 研发的光频梳检测系统通过多波长合成技术，将测量深径比提升至 20:1，在 φ10mm×200mm 钛合金凹槽检测中，深度测量不确定度达 ±0.5μm。其核心在于采用光频梳的相干长度扩展技术，通过波长调谐实现 200mm 范围内的无模糊测距。

动态测量精度提升

德国 PTB 提出的 “振动相位补偿” 算法，利用惯性测量单元实时监测测量头振动，在数据处理阶段对相位偏移进行修正。实验表明，该技术使运动状态下的深度测量重复性误差从 ±1.2μm 降至 ±0.3μm，满足生产线在线检测需求。

复杂表面适应性优化

中国科学院团队开发的自适应光斑整形技术，可根据凹槽深度自动调整激光束发散角。在深凹槽上部采用宽光斑快速扫描，底部切换为窄光斑精细测量，将 100mm 深凹槽的检测时间缩短至 6 秒，同时保证底部点云密度达 500 点 /mm²。

工程应用与挑战

在航空发动机领域，普惠公司将光频梳检测系统集成于叶片加工中心，实现榫槽深度（精度 ±0.8μm）与侧壁垂直度（误差 ±5″）的同步检测。汽车模具行业中，德国 Fibro 公司的在线检测设备可在 8 秒内完成深 50mm 注塑模凹槽的三维扫描，缺陷识别最小尺寸达 0.02mm。

当前研究面临两大挑战：一是深凹槽内残留切削液对 1550nm 激光的吸收导致信号衰减，需研发波长切换技术（如 1064nm 与 1550nm 双波长互补）；二是超大深径比（>30:1）凹槽的底部信号采集，需结合光纤探针阵列实现多通道光场耦合。

激光频率梳3D光学轮廓测量系统简介：

20世纪80年代，飞秒锁模激光器取得重要进展。2000年左右，美国J.Hall教授团队凭借自参考f-2f技术，成功实现载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，标志着飞秒光学频率梳正式诞生。2005年，Theodor.W.Hänsch（德国马克斯普朗克量子光学研究所）与John.L.Hall（美国国家标准和技术研究所）因在该领域的卓越贡献，共同荣获诺贝尔物理学奖。

系统基于激光频率梳原理，采用500kHz高频激光脉冲飞行测距技术，打破传统光学遮挡限制，专为深孔、凹槽等复杂大型结构件测量而生。在1m超长工作距离下，仍能保持微米级精度，革新自动化检测技术。