撰稿人 | Jenny（吉林大学，博士生）
随着现代科技和工业的发展，对机械和电子元件的质量要求越来越高。特别是量产零件，例如汽车工业、医疗技术和半导体行业的芯片生产和组装。
一方面，更加严格的公差需要精确的测量方法；另一方面，对所有零件的功能表面进行全场检查的需求也在增加。因此，高效且精确的测量手段在生产制造中是必不可少的。
触觉测量系统应用仍然非常普遍，在很多情况下，也能够满足精度的要求。然而，由于是采用逐点接触测量的手段，不仅耗时，且很难实现完整的表面测量。
非接触式光学测量方法可以解决这些问题。光学测量也可分为逐点测量和全场测量，逐点光学扫描的速度已经比传统触觉测量快几个数量级，但基于相机的全场记录方式在总体测量效率方面具有明显的优势。
近期，来自德国弗劳恩霍夫协会物理测量技术研究所（IPM）的Daniel Carl团队（团队简介>）在Light: Advanced Manufacturing上发表综述文章 Digital Holography in Production: An Overview，介绍了在工业应用领域中光学测量技术的种类和特点，进而系统总结并梳理数字全息技术中不同产品的特点和应用场景，并评估了这项技术的未来潜力和未来的必要挑战。
当为特定的应用选择光学传感器时，要测量的表面是否适合光学检查的问题是非常重要的。表面的反射率、透射率、散射率、吸收率和倾角对信号强度和测量结果有很大的影响。
然而，每一类都存在局限性，主要受到噪声源和表面特性的影响：
（1）由于反射区域的散斑噪声和消失信号，三角测量精度较差。
（2）反射测量只适用于完全的镜面反射表面。
（3）相干扫描干涉和激光扫描共聚焦原则上能够测量反射面和不反射面，但需要记录大量的图像，对于大视场的快速测量受到一定的限制。
（4）经典干涉测量结合相移技术则有潜力满足精度和测量时间的要求。经典干涉测量主要的局限性是只有照明激光波长一半的清晰范围，也就意味着只能测量具有光学质量的表面。
多波长可以规避这种限制。通过让不同波长得到的相位图相减，就可以得到一个各自波长的差频的相位图，从而可以创造出一系列的合成波长。随后，重构的相位图可以级联，使较小的合成波长补偿较大的相位噪声。从而，最大的合成波长决定了测量范围，最小的合成波长决定了测量精度。
数字全息技术为扩展经典干涉测量提供了另一个非常有用的特性：数值传输重构波前的可能性。这确保了物体平面的数值重新聚焦，对于内联应用具有巨大的优势。在实际生产环境中，考虑成本等因素让样本精确处在最佳焦点位置是困难的。自动聚焦技术的应用无论是在振幅还是相位上，都可实时测量。
据综述中描述，除了数字全息技术以外，没有其他任何方法可以同时满足测量精度、测量范围、横向采样和测量时间的需求。
作者核心展示了数字全息技术测量系统的工作原理及稳定性，并介绍了来自制造业中三个最先进的实用案例。
如图3所示，多波长数字全息测量系统由全息传感器探头A和多束激光电路控制系统B组成。
图源：Light: Advanced Manufacturing
电路控制系统B中，多台激光器（1）产生的合成波长范围从2 µm到2000 µm。激光源（可多达8台激光器）先后经过保偏光纤（2）耦合到传感器探头并通过高速的光纤微机械开关（3）进行切换，用电脑（5）驱动的I/O接口（4）来控制开关，开关的响应时间小于7 ms。
传感器探头A中，光束通过偏振分光镜（PBS）（6）分为目标光束和参考光束。用透镜（7）将光束折射来适应物体（8）和相机（9）芯片的尺寸。压电驱动器控制反镜（10）偏转来控制参考光束，因此参考光束的相位可以选择性的移动，也称为时间相移。
被样品散射的光通过物镜（11）成像到相机传感器上，并与参考光束相叠加干涉。每个波长记录至少三个相移干涉图。此外还使用一系列偏振元件（12-16）来减小激光偏振波动的影响。
表1展示了德国弗劳恩霍夫协会物理测量技术研究所开发的三种全息测量系统的技术指标，它们在采样和光学分辨率方面有所不同，以适应不同的应用需求。
表源：Light: Advanced Manufacturing
对于三维测量传感器，测量高度的准确性是非常重要的。为此，他们采用了一个标准高度20 µm的台阶，首先德国国家计量研究所测量的高度为20.138 µm，然后使用HoloTop 65M系统对台阶高度进行了25次测量，测量结果如图4所示，测量高度的平均值为20.135 µm，标准差为0.01 µm。测量结果与德国国家计量研究所非常一致。
图源：Light: Advanced Manufacturing
对于高精度 3D 测量，在整个视场中产生相同的数据质量同样非常重要。这样可以确保样品即使移动，也可以准备计算不同区域之间的高度差。如图5所示，对样品的凹槽（红色标记）深度反复测量了14次，每次测量之间，样品都在视场范围内随意移动，实际测量的凹槽深度为19.345 µm，标准差为0.01 µm。
图源：Light: Advanced Manufacturing
多波长数字全息技术最突出的工业应用之一是高精度封装表面的检测。Werner Gießler GmbH是柴油机喷油器密封装置的制造商之一，每年生产大约1000万个零件。自2015年以来，一直使用HoloTop 9M 传感器进行 100% 的下线检测，也就是每个零件都使用数字全息技术检测。
如图6所示，整个检测装置的实物图片以及实际测试结果。样品测了25次。每次测量之间，样品由搬运装置取下，任意轻微旋转，再返回到测量位置。每次测试的高度都基本一致，且处于+/-2 µm之间。
图源：Light: Advanced Manufacturing
为了评估长期的稳定性，在一整年的生产过程中，记录了测量值，共进行了980万次测量。测量结果如图7所示，黑线是每天测量的中位数，波动范围从7.4 µm到9.8 µm。每天的中位数随着时间推移几乎不变。表明测量过程具有很好的稳定性。
图源：Light: Advanced Manufacturing
机床是用于成型、加工金属或其他刚性材料的机器，在生产中起着关键作用。当前的机床可提供微米级的生产精度，精密机床甚至可以在亚微米范围内工作。然而，工具磨损、传感器校准错误或轨迹的错误选择都可能导致加工结果不符合要求。因此，质量特征的计量登记是质量和性能保证的重要组成部分。其中几何检测占据90%的份额。
机床是复杂的机电系统，对高精度光学测量系统提出了特殊的挑战。德国弗劳恩霍夫协会物理测量技术研究所开发的HoloPort测量系统是世界上首个用于机床的数字全息测量系统。
图8展示了5轴铣床测量系统的实物照片和测试结果。对电机壳体密封面测试了30次，可以看出，多次测量结果一致，表面平整度只有几微米，但有一缺陷延伸了约30 µm。
图源：Light: Advanced Manufacturing
数字全息技术最有趣的应用之一是用于电子互连器的质量控制，比如微隆起结构。最先进的微电子器件具有数万到数十万个回流焊接的电触点。为了确保互连器的所有触点的正确连接，器件的电触点必须符合微米范围内的公差。
图9展示了对电子互连器件的测试结果，每个凸起的直径为50 µm，高度为20 µm，视场内所有隆起的高度，99%测量结果偏差小于0.108 µm。
图源：Light: Advanced Manufacturing
上述应用案例显示了多波长数字全息技术的巨大潜力。没有其他任何三维测量技术可以如此快速地完成如此大的视场的横向采样，同时还具有高的轴向精度。
当将这项技术应用到新的应用领域时，未来的主要挑战是进一步降低干涉技术对外部影响的灵敏度，比如传感器探头和测试样品之间的相对运动。
技术发展的另一个瓶颈是频率稳定的激光光源。不同的应用需求，进而对测量精度和测试范围的要求，因此仍有必要为每个所需波长找到合适稳定的激光光源。
进一步发展的目标是在共同技术平台的基础上，开放尽可能多的工业应用，使技术更加可靠和稳健。在这种情况下，他们想开发一种非常紧凑的传感器探头，用于多轴处理系统，如机器人和坐标测量的设备。另外对于新的制造工艺，如混合加工，其中附加部件的精确返工，为数字全息技术提供了巨大的应用潜力。
Markus Fratz, Tobias Seyler, Alexander Bertz, Daniel Carl. Digital holography in production: an overview[J]. Light: Advanced Manufacturing.
https://doi.org/10.37188/lam.2021.015
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