精密模具大深径比微孔尺寸测量方案 - 激光频率梳 3D 轮廓测量

摘要

本文针对精密模具中大深径比微孔尺寸测量难题，提出基于激光频率梳 3D 轮廓测量的解决方案。分析传统测量方法局限性，阐述该方案的技术原理、系统构成与测量步骤，通过实验案例验证其在高精度微孔测量中的应用优势，为模具制造提供技术参考。

关键词

精密模具；大深径比；微孔测量；激光频率梳；3D 轮廓测量

一、引言

在精密模具制造领域，大深径比微孔（深径比≥10:1，孔径≤1mm）广泛存在于电子器件封装模具、医疗注射器模具等产品中。这类微孔的尺寸精度（±5μm 以内）直接影响模具成型件的装配精度与功能性能。传统测量方法如探针接触式测量、工业 CT 扫描等，在面对深径比＞20:1 的微孔时，存在探头易折断、辐射成本高或分辨率不足等问题。激光频率梳 3D 轮廓测量技术凭借高相干性与精密光学扫描能力，为该类微孔的尺寸测量提供了创新解决方案。

二、传统测量方法的局限性

2.1 接触式探针测量

采用直径 0.1 - 0.5mm 的微型探针扫描微孔内壁，理论精度达 ±10μm，但受深径比限制，探针长径比＞15:1 时易发生弯曲变形，导致测量误差达 ±50μm 以上。某半导体封装模具微孔（深径比 25:1，孔径 0.3mm）测量中，探针折断率高达 30%，无法满足批量检测需求。

2.2 工业 CT 测量

通过 X 射线断层扫描重构微孔三维模型，可实现非接触测量，但空间分辨率受 X 射线源尺寸限制，对孔径＜0.5mm 的微孔，分辨率仅达 ±20μm，且单次扫描时间＞10 分钟，辐射防护成本高，不适用于生产线实时检测。

2.3 显微视觉测量

利用深孔显微内窥镜获取图像，经图像处理测量尺寸，但受限于光学景深（深径比＞10:1 时景深不足 100μm），无法对全孔深范围进行清晰成像，且二维图像难以准确反演三维尺寸，测量误差＞±30μm。

三、激光频率梳 3D 轮廓测量原理

激光频率梳作为飞秒脉冲激光源，其频谱由等间隔（f_{text{rep}} = c/2L）的梳齿状光谱线组成，通过锁定载波包络偏移频率f_{text{ceo}}，可实现光频的绝对测量。测量时，激光脉冲经分光系统分为测量光与参考光：测量光通过光纤耦合微型探头聚焦至微孔内壁，反射光与参考光产生干涉，干涉信号的频谱偏移量对应光程差。通过傅里叶变换解析相位延迟Deltaphi，利用公式d = c cdot Deltaphi / (4pi f_{text{rep}})计算深度值，结合振镜扫描数据，重构微孔三维轮廓。

四、测量系统设计与构成

4.1 微型光学探头

设计直径 0.2mm 的光纤探针，集成 MEMS 振镜扫描模块（扫描角度 ±15°），采用波长 1550nm 飞秒激光频率梳（重复频率 100MHz，脉冲宽度 80fs），确保轴向测量分辨率达 10nm，径向扫描步长 50nm。

4.2 纳米级进给机构

采用压电陶瓷驱动的三维平移台（分辨率 1nm，行程 20mm），配合记忆合金自定心爪（适应孔径 0.2 - 1mm），实现探头沿微孔轴线的精准进给，轴向定位误差＜±50nm。

4.3 超高速数据采集系统

使用采样率 5MHz 的傅里叶变换光谱仪，结合 FPGA 实时相位解算模块，每秒钟可处理 100 组干涉光谱数据，同步生成三维坐标点云（密度 10^6 点 / 秒）。

五、测量方法与步骤

5.1 系统校准

利用标准硅片微孔（直径 0.5mm，深径比 30:1，精度 ±1μm）进行校准，通过调节参考光路延迟线，使 1550nm 波长处的相位误差＜0.01π，同时标定扫描振镜的角度 - 坐标转换系数，确保三维坐标精度。

5.2 微孔扫描

将探头插入微孔，记忆合金爪自动定心后，启动压电进给机构（速度 0.05mm/s）与振镜扫描（频率 200Hz），激光频率梳以 100kHz 频率发射脉冲，对孔深 5mm 的微孔，全程扫描时间约 2 分钟，采集数据点超 120 万个。

5.3 数据处理

采用小波变换去除环境噪声，通过光频梳双频锁定算法（f_{text{rep}}与f_{text{ceo}}）解算相位延迟，利用径向基函数插值法重构三维轮廓，同步计算孔径（沿孔深每 100μm 取截面）、圆柱度、锥度等参数，生成 STL 模型与偏差色谱图。

六、实验验证与优势分析

6.1 应用案例

对某医疗注射器模具微孔（孔径 0.4mm，深径比 28:1，设计锥度≤0.01mm）进行测量：传统接触式测量因探针折断无法完成；工业 CT 测量显示锥度 0.03mm，但未识别出孔深 3mm 处 0.015mm 的局部扩张。采用激光频率梳测量方案，单次扫描 2.5 分钟，测得锥度 0.008mm，定位局部扩张区域并量化偏差至 ±5μm，指导电火花加工参数调整后，模具注塑件的针管配合精度提升 15%。

6.2 技术优势

6.2.1 超高深径比适应性

可测量深径比≥50:1 的微孔，探针直径 0.2mm 时仍保持刚性，解决传统探针的弯曲难题。

6.2.2 纳米级测量精度

轴向深度测量精度 ±5μm，径向轮廓分辨率 50nm，可识别微孔内壁的纳米级加工纹理。

6.2.3 非接触快速测量

无需物理接触避免孔壁损伤，2 - 3 分钟完成全孔测量，效率是工业 CT 的 5 倍以上。

6.2.4 全参数同步分析

除尺寸测量外，自动生成圆度（误差＜0.002mm）、表面粗糙度（Ra＜0.1μm）等 20 余项参数，满足模具行业全尺寸链检测需求。

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.H?nsch（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。

核心技术优势

①同轴落射测距：独特扫描方式攻克光学“遮挡”难题，适用于纵横沟壑的阀体油路板等复杂结构；

（以上为新启航实测样品数据结果）

②高精度大纵深：以±2μm精度实现最大130mm高度/深度扫描成像；

（以上为新启航实测样品数据结果）

③多镜头大视野：支持组合配置，轻松覆盖数十米范围的检测需求。

（以上为新启航实测样品数据结果）