紧凑型扫描共焦彩色传感器，可实现精确的三维测量

奥地利维也纳工业大学的研究人员开发了一种轻型光学系统，用于以微米级精度对表面进行 3D 检测。新系统设计安装在机器人手臂上的跟踪平台上，用于对任意形状和表面进行非接触式三维测量。相关研究发表在《Applied Optics》上。

图1，扫描共焦彩色传感器SCC的图像，CCS的光点在FSM上清晰可见。。

现代高科技工业制造系统对精度和吞吐量的需求不断增长。在线测量可以对生产的产品进行实时质量控制，可以实时优化制造过程和生产参数设置，被认为是未来工业生产的关键因素。由于表面状况和形状通常是加工产品的重要特征或质量指标，因此（在线）三维 (3-D) 测量近年来变得越来越重要。为了提供在任意方向和位置进行测量的灵活性，例如自由形状物品所需的测量，可以使用工业机器人将测量工具与样品表面对齐。

然而，工业机器人的有限精度和工业环境中的振动会导致运动模糊，从而破坏了单微米级的 3-D 测量。为了在自由曲面上实现基于机器人的精确测量，最近提出了具有任意操作方向的 MAGLEV 跟踪模块。跟踪模块可以安装到机械臂上，并通过反馈控制在跟踪平台上的测量工具和样品表面之间产生非接触式刚性链接，直接在易受振动的环境中建立实验室条件。

高精度 3-D 测量工具，例如原子力显微镜或带有光学传感器的坐标测量机，可以提供纳米分辨率，然而其通常相当笨重，因此不适合基于机器人的目标应用。在最近的一种方法中，带有旋转驱动透镜组的共焦色度传感器 (CCS) 已被用于获得横向分辨率约为 25 µm 的紧凑型 3-D 测量工具。另一种以高帧速率获得精确 3-D 测量的方法是使用振镜扫描仪或快速转向镜 (FSM)操纵快速 1-D 位移传感器的光路。三角测量或 CCS 通常用于此类光机电测量系统，因为它们可实现低至数十纳米的分辨率并具有相当大的测量范围。当瞄准具有各种材料特性的自由形状表面时，零点几度的高接受角和高材料独立性使CCS的研究变得有意义。然而，将 CCS 的高轴向分辨率与 FSM 的高扫描速度相结合的紧凑型 3-D 测量工具仍然不可用。

这里，研究人员提出了一种紧凑轻便的扫描共焦色度传感器 (SCCS)，通过设计，实现以及是先评估，表明紧凑且轻量级的SCCS可用于基于机器人的精密三维 (3-D) 表面测量应用。整个系统仅重 300 克，尺寸为 75 × 63 × 55 mm3，大约相当于一个浓缩咖啡杯的大小。集成系统设计包括一个二维快速转向镜 (FSM)，用于操纵高精度一维共焦色度传感器 (CCS) 的光路。数据驱动的校准程序用于准确地结合 FSM 偏转角和相应测量到的样品表面距离，以获得正确重建的 3-D 图像。应用李萨如扫描轨迹以实现对样品表面的高效扫描。 SCCS 以高达 1 fps 的帧速率和 0.35 × 0.25 × 1.8 mm3 的测量体积提供 3-D 图像，以及对任意感兴趣区域的测量。使用包括定义尺寸结构的校准标准，横向和轴向分辨率分别确定为 2.5μm 和 76 nm。

新的测量工具可以大大加强对包括半导体芯片、太阳能电池板和平板电视等消费电子产品在内的高科技产品的质量控制检验。该系统最终可以为高科技制造带来各种好处，在线测量可以实现零故障生产过程，这对于小批量制造尤其有用。这些信息还可用于优化制造过程和机床设置，从而提高整体产量。未来的工作包括将 SCCS 集成到作为机器人末端执行器的磁悬浮振动补偿测量平台上，以实现高分辨率的在线 3-D 测量。