激光频率梳 3D 轮廓测量在深凹槽测量的应用有哪些

引言

深凹槽作为高端制造领域关键结构特征，其精确测量对零件性能至关重要。激光频率梳 3D 轮廓测量技术凭借飞秒激光的相干性与绝对测距优势，在深凹槽复杂结构检测中展现出独特价值，已逐步应用于航空航天、汽车制造、精密模具等领域的关键零部件检测。

航空航天领域的应用

发动机叶片榫槽检测

航空发动机叶片榫槽深度通常为 30 - 80mm，深径比达 10:1，传统测量方法难以兼顾精度与效率。激光频率梳 3D 轮廓测量系统通过 1550nm 光频梳光源与振镜扫描结合，可在 5 秒内完成榫槽全周扫描。普惠公司应用案例显示，该技术对榫槽深度测量精度达 ±0.8μm，同时可同步获取侧壁垂直度（误差 ±5″）与表面粗糙度（Ra≤0.4μm）数据，满足航空发动机高可靠性要求。针对榫槽底部圆角区域，系统通过自适应光斑zx技术，将点云密度提升至 800 点 /mm?，准确识别 0.03mm 以下的微小裂纹。

航天器燃料箱深槽检测

航天器燃料箱内壁深槽用于安装传感器与管路，其深度一致性直接影响燃料加注精度。美国 NASA 采用光频梳多波长合成技术（1545 - 1555nm），在 φ50mm×500mm 深槽检测中实现 ±0.5μm 的深度测量不确定度。系统通过光纤探针阵列解决深槽底部信号衰减问题，配合振动相位补偿算法，在航天器发射前的振动环境测试中，仍能保持动态测量精度稳定，为燃料箱密封性能评估提供数据支撑。

汽车与模具制造应用

发动机缸体深凹槽检测

汽车发动机缸体水套深槽深度约 50 - 100mm，传统接触式测量易导致缸体表面划伤。德国 Fibro 公司开发的在线检测设备，利用激光频率梳螺旋扫描技术，8 秒内可完成深 50mm 凹槽的三维建模，深度测量精度 ±1.2μm，缺陷识别最小尺寸 0.02mm。该技术集成于缸体生产线，实时检测深槽底部积屑瘤与加工烧伤，将缸体漏水故障率从 0.3% 降至 0.05%。

注塑模具型腔检测

精密注塑模具型腔深槽直接影响制品脱模性能，其深度公差要求 ±0.01mm。中国科学院研发的自适应光斑系统，在 100mm 深型腔检测中，通过上部宽光斑（发散角 5°）快速扫描定位，底部窄光斑（发散角 1°）精细测量，将检测时间缩短至 6 秒，底部点云密度达 500 点 /mm?。某手机外壳模具检测案例中，该技术成功识别出 0.015mm 的深度偏差，避免了因脱模不畅导致的制品变形问题。

精密机械与电子领域应用

轴承座深凹槽检测

高精度轴承座深槽用于安装密封圈，深度精度要求 ±0.02mm。瑞士 GF Machining Solutions 将光频梳测量头集成于五轴加工中心，采用 “加工 - 检测” 一体化模式，对 φ30mm×150mm 深槽进行在线检测。系统通过波长调谐技术避开切削液干扰，深度测量重复性误差≤0.3μm，相比离线三坐标检测效率提升 10 倍，满足轴承座批量生产中的 100% 全检需求。

半导体封装深槽检测

半导体封装基板深槽深度仅 5 - 20mm，但精度要求达 ±0.5μm。日本东京电子开发的微型光频梳系统，采用 0.5mm 直径光纤探针，配合 1000MHz 高重复频率光源，实现深径比 20:1 的窄槽检测。在倒装芯片封装基板检测中，该技术可准确测量槽底焊盘的高度差，对 0.1mm 深凹槽的深度测量不确定度控制在 ±0.3μm，保障了芯片键合的可靠性。

特殊材料与复杂结构应用

复合材料深槽检测

碳纤维复合材料深槽加工易产生分层缺陷，传统测量方法难以识别内部损伤。法国 Safran 公司利用光频梳的红外穿透特性（1550nm 波长），在 2mm 厚复合材料深槽检测中，不仅实现 ±1μm 的深度测量，还通过光频域反射技术（OFDR）同步获取槽壁分层信息。某直升机旋翼叶片检测案例显示，该技术可识别 0.5mm? 以下的分层缺陷，为复合材料构件安全评估提供多维数据。

异形深凹槽检测

针对非圆柱面深凹槽（如 T 型槽、燕尾槽），激光频率梳 3D 轮廓测量通过三维点云拟合实现复杂形貌重构。美国 MIT 研发的多通道光场耦合系统，在 T 型槽检测中，采用主光束测量主体深度，辅助光束扫描侧翼结构，20 秒内完成全槽三维建模，深度测量精度 ±0.8μm，侧翼角度误差 ±10″，解决了传统方法对异形结构的检测盲区问题。

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）