光譜共焦傳感器作為一種新型的高精度傳感器，其測量精度最高可達(dá)±0.02%。相比于光柵、容柵或電感調(diào)頻、電感差動(dòng)變壓器式的位移傳感器，其在位移測量方面的優(yōu)勢更加明顯。如今，由于光譜共焦傳感器有著高精度、非接觸測量等優(yōu)勢，因此，其在幾何量精密測量方面的應(yīng)用越來越廣泛，如漫反射及平面反射的位移測量、平面度測量、薄膜及透明材料厚度測量、表面粗糙度測量等。
在位移測量方面，自光譜共焦傳感器問世以來，它的主要功能便是測量位移。馬敬等對光譜共焦傳感器的色散物鏡進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了色散物鏡的結(jié)構(gòu)，提高了光譜共焦傳感器的各項(xiàng)性能；畢超等利用光譜共焦傳感器實(shí)現(xiàn)了對航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的高精度、高效率的測量。
在平面度測量方面，位恒政等對光譜共焦傳感器的探測誤差進(jìn)行研究，其中，在對平面探測誤差研究時(shí)，利用光譜共焦傳感器對圓平晶的平面度進(jìn)行測量，得到了平面探測誤差值。
在薄膜及透明材料厚度測量方面，朱萬彬等分析了光譜共焦傳感器在測量透明平板的平面度時(shí)，由透明平板的折射率不同而引入的測量誤差并進(jìn)行補(bǔ)償；曹太騰等基于三維數(shù)據(jù)精確測量的機(jī)器視覺系統(tǒng)，利用光譜共焦傳感器對透明材料厚度及弧形玻璃弧面厚度進(jìn)行檢測。
在表面粗糙度測量方面，沈小燕等分析了不同測量方法測量表面粗糙度時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了基于光譜共焦傳感器的測量方法并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，為表面粗糙度的精密測量提供了一種新的方法；林杰俊等利用光譜共焦法測量表面粗糙度樣塊的表面粗糙度，并分析了其測量不確定度。
本文利用最小二乘法計(jì)算校準(zhǔn)誤差并進(jìn)行非線性誤差計(jì)算，減小光譜共焦傳感器校準(zhǔn)時(shí)的誤差，并在不同精度標(biāo)準(zhǔn)器下，探索光譜共焦傳感器的校準(zhǔn)誤差的變化情況，對今后對光譜共焦傳感器的應(yīng)用及研究有著重要的意義。
光譜共焦傳感器是近年來出現(xiàn)的一種利用不同顏色光的波長來測量微小距離的新型高精度傳感器。它的原理脫胎自上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的共聚焦顯微鏡，在此基礎(chǔ)上，又添加了彩色編碼技術(shù)，使得彩色光的波長與待測長度聯(lián)系在了一起。由于所測長度直接與彩色光的波長相關(guān)聯(lián)，使得測量精度進(jìn)一步提高，光譜共焦傳感器的出現(xiàn)極大促進(jìn)了精密測量領(lǐng)域的發(fā)展。
光譜共焦傳感器的原理如圖1所示，白光通過小孔后，可以近似認(rèn)為是點(diǎn)光源，然后通過分光棱鏡和色散物鏡，形成彩色光，彩色光聚焦于中心光軸上。當(dāng)被測物體置于彩色光的聚焦范圍以內(nèi)時(shí)，能夠?qū)⑦@些彩色光反射，使其原路返回，到達(dá)光譜儀。光譜儀與分光棱鏡之間的針孔起到了濾光的作用，只有準(zhǔn)確聚焦與待測物體表面的單色光能夠進(jìn)入光譜儀，因此，在很大程度上，提高了測量的準(zhǔn)確度。
3.1 實(shí)驗(yàn)過程
分別采用激光干涉儀與高精度測長機(jī)兩種方法對光譜共焦傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。所用的激光干涉儀型號為XL-80，精度為±0.5X10-6，所用的高精度測長機(jī)的精度為0.1μm。圖1 光譜共焦傳感器原理
]]>1、激光測距雷達(dá)
激光測距雷達(dá)是通過對被測物體發(fā)射激光光束，并接收該激光光束的反射波，記錄該時(shí)間差，來確定被測物體與測試點(diǎn)的距離。傳統(tǒng)上，激光雷達(dá)可用于工業(yè)的安全檢測領(lǐng)域，如科幻片中看到的激光墻，當(dāng)有人闖入時(shí)，系統(tǒng)會立馬做出反應(yīng)，發(fā)出預(yù)警。另外，激光測距雷達(dá)在空間測繪領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。但隨著人工智能行業(yè)的興起，激光測距雷達(dá)已成為機(jī)器人體內(nèi)不可或缺的核心部件，配合SLAM技術(shù)使用，可幫助機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)自主行走。
2、激光測速雷達(dá)
激光測速雷達(dá)是對物體移動(dòng)速度的測量，通過對被測物體進(jìn)行兩次有特定時(shí)間間隔的激光測距，從而得到該被測物體的移動(dòng)速度。
激光雷達(dá)測速的方法主要有兩大類，一類是基于激光雷達(dá)測距原理實(shí)現(xiàn)，即以一定時(shí)間間隔連續(xù)測量目標(biāo)距離，用兩次目標(biāo)距離的差值除以時(shí)間間隔就可得知目標(biāo)的速度值，速度的方向根據(jù)距離差值的正負(fù)就可以確定。這種方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度有限，只能用于反射激光較強(qiáng)的硬目標(biāo)。
另一類測速方法是利用多普勒頻移。多普勒頻移是指目標(biāo)與激光雷達(dá)之間存在相對速度時(shí)，接收回波信號的頻率與發(fā)射信號的頻率之間會產(chǎn)生一個(gè)頻率差，這個(gè)頻率差就是多普勒頻移。
3、激光成像雷達(dá)
激光成像雷達(dá)可用于探測和跟蹤目標(biāo)、獲得目標(biāo)方位及速度信息等。它能夠完成普通雷達(dá)所不能完成的任務(wù)，如探測潛艇、水雷、隱藏的軍事目標(biāo)等等。在軍事、航空航天、工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
4、大氣探測激光雷達(dá)
大氣探測激光雷達(dá)主要是用來探測大氣中的分子、煙霧的密度、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向及大氣中水蒸氣的濃度的，以達(dá)到對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測及對暴風(fēng)雨、沙塵暴等災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)的目的。
5、跟蹤雷達(dá)
跟蹤雷達(dá)可以連續(xù)的去跟蹤一個(gè)目標(biāo)，并測量該目標(biāo)的坐標(biāo)，提供目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。不僅用于火炮控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、外彈道測量、衛(wèi)星跟蹤、突防技術(shù)研究等，而且在氣象、交通、科學(xué)研究等領(lǐng)域也在日益擴(kuò)大。
1、固體激光雷達(dá)
固體激光雷達(dá)峰值功率高，輸出波長范圍與現(xiàn)有的光學(xué)元件與器件相匹配，輸出長范圍與現(xiàn)有的光學(xué)元件與器件(如調(diào)制器、隔離器和探測器）以及大氣傳輸特性也相匹配等，而且很容易實(shí)現(xiàn)主振蕩器-功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)，再加上效率高、體積小、重量輕、可靠性高和穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，固體激光雷達(dá)優(yōu)先在機(jī)載和天基系統(tǒng)中得到應(yīng)用。近年來，激光雷達(dá)發(fā)展的重點(diǎn)是二極管泵浦固體激光雷達(dá)。
2、氣體激光雷達(dá)
氣體激光雷達(dá)以CO2激光雷達(dá)為代表，它工作在紅外波段 ，大氣傳輸衰減小，探測距離遠(yuǎn)，已經(jīng)在大氣風(fēng)場和環(huán)境監(jiān)測方面發(fā)揮了很大作用，但體積大，使用的中紅外 HgCdTe探測器必須在77K溫度下工作,限制了氣體激光雷達(dá)的發(fā)展。
3、半導(dǎo)體激光雷達(dá)
半導(dǎo)體激光雷達(dá)能以高重復(fù)頻率方式連續(xù)工作，具有長壽命，小體積，低成本和對人眼傷害小的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于后向散射信號比較強(qiáng)的Mie散射測量，如探測云底高度。半導(dǎo)體激光雷達(dá)的潛在應(yīng)用是測量能見度，獲得大氣邊界層中的氣溶膠消光廓線和識別雨雪等，易于制成機(jī)載設(shè)備。目前芬蘭Vaisala公司研制的CT25K激光測云儀是半導(dǎo)體測云激光雷達(dá)的典型代表，其云底高度的測量范圍可達(dá)7500m。
1、單線激光雷達(dá)
單線激光雷達(dá)主要用于規(guī)避障礙物，其掃描速度快、分辨率強(qiáng)、可靠性高。由于單線激光雷達(dá)比多線和3D激光雷達(dá)在角頻率和靈敏度反映更加快捷，所以，在測試周圍障礙物的距離和精度上都更加精 確。但是，單線雷達(dá)只能平面式掃描，不能測量物體高度，有一定局限性。當(dāng)前主要應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人身上，如我們常見的掃地機(jī)器人。
2、多線激光雷達(dá)
多線激光雷達(dá)主要應(yīng)用于汽車的雷達(dá)成像，相比單線激光雷達(dá)在維度提升和場景還原上有了質(zhì)的改變，可以識別物體的高度信息。多線激光雷達(dá)常規(guī)是2.5D，而且可以做到3D。目前在國際市場上推出的主要有 4線、8線、16 線、32 線和 64 線。但價(jià)格高昂，大多車企不會選用。
3、面陣激光雷達(dá)
1、MEMS型激光雷達(dá)
MEMS 型激光雷達(dá)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的掃描模式，以此來聚焦特殊物體，采集更遠(yuǎn)更小物體的細(xì)節(jié)信息并對其進(jìn)行識別，這是傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)無法實(shí)現(xiàn)的。MEMS整套系統(tǒng)只需一個(gè)很小的反射鏡就能引導(dǎo)固定的激光束射向不同方向。由于反射鏡很小，因此其慣性力矩并不大，可以快速移動(dòng)，速度快到可以在不到一秒時(shí)間里跟蹤到 2D 掃描模式。
2、Flash型激光雷達(dá)
Flash型激光雷達(dá)能快速記錄整個(gè)場景，避免了掃描過程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動(dòng)帶來的各種麻煩，它運(yùn)行起來比較像攝像頭。激光束會直接向各個(gè)方向漫射，因此只要一次快閃就能照亮整個(gè)場景。隨后，系統(tǒng)會利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的激光束。Flash LiDAR有它的優(yōu)勢，當(dāng)然也存在一定的缺陷。當(dāng)像素越大，需要處理的信號就會越多，如果將海量像素塞進(jìn)光電探測器，必然會帶來各種干擾，其結(jié)果就是精度的下降。
3、相控陣激光雷達(dá)
相控陣激光雷達(dá)搭載的一排發(fā)射器可以通過調(diào)整信號的相對相位來改變激光束的發(fā)射方向。目前大多數(shù)相控陣激光雷達(dá)還在實(shí)驗(yàn)室里呆著，而現(xiàn)在仍停留在旋轉(zhuǎn)式或 MEMS 激光雷達(dá)的時(shí)代，
4、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)
機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)是發(fā)展比較早的激光雷達(dá)，目前技術(shù)比較成熟，但機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且各核心組件價(jià)格也都頗為昂貴，其中主要包括激光器、掃描器、光學(xué)組件、光電探測器、接收IC以及位置和導(dǎo)航器件等。由于硬件成本高，導(dǎo)致量產(chǎn)困難，且穩(wěn)定性也有待提升，目前固態(tài)激光雷達(dá)成為很多公司的發(fā)展方向。
1、直接探測激光雷達(dá)
直接探測型激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)與激光測距機(jī)頗為相近。工作時(shí)，由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量激光信號往返傳播的時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。至于目標(biāo)的徑向速度，則可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個(gè)或多個(gè)距離，并計(jì)算其變化率而求得速度。
2、相干探測激光雷達(dá)
相干探測型激光雷達(dá)有單穩(wěn)與雙穩(wěn)之分，在所謂單穩(wěn)系統(tǒng)中，發(fā)送與接收信號共用一個(gè)光學(xué)孔徑，并由發(fā)送-接收開關(guān)隔離。而雙穩(wěn)系統(tǒng)則包括兩個(gè)光學(xué)孔徑，分別供發(fā)送與接收信號使用，發(fā)送-接收開關(guān)自然不再需要，其余部分與單穩(wěn)系統(tǒng)相同。
1、連續(xù)型激光雷達(dá)
從激光的原理來看，連續(xù)激光就是一直有光出來，就像打開手電筒的開關(guān)，它的光會一直亮著（特殊情況除外）。連續(xù)激光是依靠持續(xù)亮光到待測高度，進(jìn)行某個(gè)高度下數(shù)據(jù)采集。由于連續(xù)激光的工作特點(diǎn)，某時(shí)某刻只能采集到一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。因?yàn)轱L(fēng)數(shù)據(jù)的不確定特性，用一點(diǎn)代表某個(gè)高度的風(fēng)況，顯然有些片面。因此有些廠家折中的辦法是采取旋轉(zhuǎn)360度，在這個(gè)圓邊上面采集多點(diǎn)進(jìn)行平均評估，顯然這是一個(gè)虛擬平面中的多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的概念。
2、脈沖型激光雷達(dá)
脈沖激光輸出的激光是不連續(xù)的，而是一閃一閃的。脈沖激光的原理是發(fā)射幾萬個(gè)的激光粒子，根據(jù)國際通用的多普勒原理，從這幾萬個(gè)激光粒子的反射情況來綜合評價(jià)某個(gè)高度的風(fēng)況，這個(gè)是一個(gè)立體的概念，因此才有探測長度的理論。從激光的特性來看，脈沖激光要比連續(xù)激光測量的點(diǎn)位多幾十倍，更能夠精 確的反應(yīng)出某個(gè)高度風(fēng)況。
1、機(jī)載激光雷達(dá)
機(jī)載激光雷達(dá)是將激光測距設(shè)備、GNSS設(shè)備和INS等設(shè)備緊密集成，以飛行平臺為載體，通過對地面進(jìn)行掃描，記錄目標(biāo)的姿態(tài)、位置和反射強(qiáng)度等信息，獲取地表的三維信息，并深入加工得到所需空間信息的技術(shù)。在軍民用領(lǐng)域都有廣泛的潛力和前景。機(jī)載激光雷達(dá)探測距離近，激光在大氣中傳輸時(shí)，能量受大氣影響而衰減，激光雷達(dá)的作用距離在20千米以內(nèi)，尤其在惡劣氣候條件下，比如濃霧、大雨和煙、塵，作用距離會大大縮短，難以有效工作。大氣湍流也會不同程度上降低激光雷達(dá)的測量精度。
2、車載激光雷達(dá)
車載激光雷達(dá)又稱車載三維激光掃描儀，是一種移動(dòng)型三維激光掃描系統(tǒng)，可以通過發(fā)射和接受激光束，分析激光遇到目標(biāo)對象后的折返時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)對象與車的相對距離，并利用收集的目標(biāo)對象表面大量的密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率等信息，快速復(fù)建出目標(biāo)的三維模型及各種圖件數(shù)據(jù)，建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達(dá)到環(huán)境感知的目的。車載激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛“造車”大潮中扮演的角色正越來越重要，諸如谷歌、百度、寶馬、博世、德爾福等企業(yè)，都在其自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中使用了激光雷達(dá)，帶動(dòng)車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)大。
3、地基激光雷達(dá)
地基激光雷達(dá)可以獲取林區(qū)的3D點(diǎn)云信息，利用點(diǎn)云信息提取單木位置和樹高，它不僅節(jié)省了人力和物力，還提高了提取的精度，具有其它遙感方式所無法比擬的優(yōu)勢。通過對國內(nèi)外該技術(shù)林業(yè)應(yīng)用的分析和對該發(fā)明研究后期的結(jié)果驗(yàn)證，未來將會在更大的研究區(qū)域利用該技術(shù)提取各種森林參數(shù)。
4、星載激光雷達(dá)
星載雷達(dá)采用衛(wèi)星平臺，運(yùn)行軌道高、觀測視野廣，可以觸及世界的每一個(gè)角落。為境外地區(qū)三維控制點(diǎn)和數(shù)字地面模型的獲取提供了新的途徑，無論對于國防或是科學(xué)研究都具有十分重大意義。星載激光雷達(dá)還具有觀察整個(gè)天體的能力，美國進(jìn)行的月球和火星等探測計(jì)劃中都包含了星載激光雷達(dá)，其所提供的數(shù)據(jù)資料可用于制作天體的綜合三維地形圖。此外，星載激光雷達(dá)載植被垂直分布測量、海面高度測量、云層和氣溶膠垂直分布測量以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測等方面也可以發(fā)揮重要作用。
通過以上對激光雷達(dá)特點(diǎn)、原理、應(yīng)用領(lǐng)域等介紹，相信大家也能大致了解各類激光雷達(dá)的不同屬性了，眼下，在激光雷達(dá)這個(gè)競爭越來越激烈的賽道上，打造低成本、可量產(chǎn)、的激光雷達(dá)是很多新創(chuàng)公司想要實(shí)現(xiàn)的夢想。但開發(fā)和量產(chǎn)激光雷達(dá)并不容易。豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和可靠的技術(shù)才能保障其在這一波大潮中占據(jù)主導(dǎo)地位。
]]>影響產(chǎn)品品質(zhì)的因素多種多樣，例如外觀品質(zhì)、功能品質(zhì)、性能品質(zhì)等。用戶和生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，除了較高的功能品質(zhì)和性能品質(zhì)之外，對外觀品質(zhì)的要求也在逐年提高，即良好的表面質(zhì)量。
然而，即便是嚴(yán)格把控制造的每一道流程，生產(chǎn)良品率也無法達(dá)到100%，這意味著總會有不合格品被生產(chǎn)出來。
而表面缺陷檢測便是阻止不合格品流入市場的“門神”。
1.產(chǎn)品表面缺陷檢測
作為生產(chǎn)制造過程中必不可少的一步，表面缺陷檢測廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，包括3C、半導(dǎo)體及電子、汽車、化工、醫(yī)藥、輕工、軍工等行業(yè)，催生了眾多上下游企業(yè)。
自20世紀(jì)開始，表面缺陷檢測大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，分別是人工目視法檢測法、機(jī)械裝置接觸檢測法以及機(jī)器視覺檢測法。
第一種是人工目視法檢測法。制造企業(yè)招聘大量的質(zhì)檢工人，采取流水線的形式進(jìn)行檢測。然而，隨著人口紅利的消失，以及工作枯燥、自由度低、薪酬較少，愿意從事質(zhì)檢的越來越少，用工難問題愈發(fā)凸顯，這種方法不僅成本高，而且在對微小缺陷進(jìn)行判別時(shí)，難以達(dá)到所需要的精度和速度，人工檢測法還存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測標(biāo)準(zhǔn)一致性差等缺點(diǎn)。
第二種是機(jī)械裝置接觸檢測法。這種方法雖然在質(zhì)量上能滿足生產(chǎn)的需要，但存在檢測設(shè)備價(jià)格高、靈活性差、速度慢、易損耗等缺點(diǎn)。
第三種是機(jī)器視覺檢測法。為了在不斷變化和競爭愈發(fā)激烈的市場中占據(jù)優(yōu)勢，企業(yè)既要不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以滿足客戶需求，又要不斷提升生產(chǎn)線的效率以適應(yīng)市場的快節(jié)奏。采用自動(dòng)化、智能化的表面缺陷檢測方法是兼顧質(zhì)量與效率的重要手段。
即利用圖像處理和分析對產(chǎn)品可能存在的缺陷進(jìn)行檢測，這種方法采用非接觸的工作方式，安裝靈活，測量精度和速度都比較高，同一臺機(jī)器視覺檢測設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對不同產(chǎn)品的多參數(shù)檢測，為企業(yè)節(jié)約大筆設(shè)備開支。
2.表面缺陷檢測存在的問題
基于機(jī)器視覺的表面缺陷檢測將是未來研究和發(fā)展的主要方向，目前，基于機(jī)器視覺的表面缺陷檢測理論研究和實(shí)際應(yīng)用等環(huán)節(jié)均有可喜的成果，但仍存在下面主要的問題和難點(diǎn)：
不同缺陷的種類復(fù)雜：類間差異大，工業(yè)品的外觀缺陷復(fù)雜多樣，不同類別的缺陷之間形態(tài)特征可能差異極大，這種差異導(dǎo)致檢測算法的普適性不強(qiáng)，許多缺陷需單獨(dú)開發(fā)檢測算法，開發(fā)復(fù)雜度極高。類間模糊性大，類間模糊是類間差異大的另一極端，即不同類別的缺陷的表觀特征具有一定的相似性，難以區(qū)分缺陷的種類，也就無法準(zhǔn)確判斷缺陷產(chǎn)生的原因，無法給產(chǎn)品準(zhǔn)確定級。背景復(fù)雜，在生產(chǎn)場景中難以將缺陷和背景完全分離，缺陷特征不明顯。
同類缺陷的差異較大：如下圖中的鐵軌表面缺陷和帶鋼表面缺陷，由于生產(chǎn)過程中光照條件、生產(chǎn)批次不同、設(shè)備狀態(tài)等因素的影響，同類缺陷的大小、對比度和灰度值等表觀特征呈現(xiàn)較大的變化，缺陷特征并不服從同一分布。
]]>