一、引言
深孔加工（深径比 > 5）的尺寸精度检测一直是工业难题，传统接触式测头易引发刀具变形，超声检测则受材质限制。激光频率梳 3D 轮廓测量技术凭借飞秒级时频基准与深孔穿透能力，为 φ0.1mm-φ50mm 深孔的直径、圆度、台阶高度等参数检测提供了非接触式高精度解决方案。
二、测量系统工作原理
（一）激光频率梳的深孔光程基准构建
飞秒激光器（中心波长 1550nm，重复频率 f_rep=100MHz）产生超短脉冲序列，经单模光纤耦合后形成直径 3-5μm 的聚焦光斑。当光束入射深孔时，利用频率梳的长相干特性（可调至 100mm），通过测量反射光与参考光的相位差，将轴向光程测量不确定度控制在 ±0.2μm，为深孔尺寸绝对测量建立时频基准。
（二）深孔轮廓的螺旋扫描机制
采用 532nm 绿光激光配合振镜扫描系统，以螺旋轨迹（螺距 0.5-5μm）扫描深孔内壁，高速相机（帧率 10000fps）同步采集孔壁反射光。激光频率梳的飞秒脉冲对每个扫描点进行时间戳标记（精度 10ps），构建全局统一的三维坐标系统。通过相位解包裹算法处理孔壁条纹相位，结合光程数据解算深孔尺寸参数：
直径 D：拟合孔壁截面圆的直径
圆度 ε：截面圆的最大与最小直径差
台阶高度 H：不同孔径截面的轴向距离差
（三）深孔专用测量流程
针对深孔加工的盲孔、阶梯孔等复杂结构，系统采用分层扫描策略：先以低分辨率（点间距 50μm）扫描孔口定位，再以 10-50μm 步距沿孔深方向螺旋扫描，对台阶区域进行加密扫描（点间距 1μm）。数据处理时，通过阈值分割提取孔壁点云，采用最小二乘法拟合孔径，结合频率梳的绝对坐标溯源，实现深孔全尺寸参数的高精度测量。
三、技术优势
（一）纳米级尺寸测量精度
在 φ1mm×10mm 深孔测量中，频率梳光程基准使直径测量不确定度达 ±0.3μm，圆度分辨率达 0.1μm。某航空发动机喷油嘴深孔（φ0.3mm×3mm）实测显示，直径测量偏差 <0.25μm，较传统接触式测针（偏差> 2μm）提升 8 倍；台阶高度测量与聚焦离子束（FIB）截面分析一致性达 97.8%，标准偏差 < 0.18μm。
（二）大深径比孔全覆盖能力
系统光斑直径可聚焦至 3μm，配合 1550nm 波长的深孔穿透特性（衰减系数 0.2dB/mm），实现深径比 20:1 的微孔全孔壁扫描。在 φ0.2mm×4mm 深孔测量中，传统激光三角法因光强衰减存在 30% 盲区，而该技术通过动态功率补偿（孔底功率提升 200%），盲区占比 < 2%，成功获取孔底圆角半径（测量值 R0.25mm，真值 R0.23mm）。
（三）非接触测量与高效数据采集
非接触测量避免了测针接触引起的孔壁损伤，适合 PVD 涂层（厚度 2-5μm）深孔检测。系统单点采集时间 8μs，φ5mm×50mm 深孔扫描仅需 60s，数据采集效率是扫描电镜（SEM）的 100 倍。配合自动旋转平台（定位精度 0.01°），可实现多深孔同步测量，某液压阀块 8 孔检测中，系统在 3 分钟内完成全孔尺寸测量。
四、技术局限性
（一）极小深孔测量盲区
当孔径 <0.1mm 且深度> 2mm 时，激光入射角度受限（θ<5°），三角测量基线过短导致直径测量误差增大（>±1μm）。某微铣刀深孔（φ0.08mm×2.5mm）测量显示，直径测量误差达 ±0.8μm，需结合原子力显微镜（AFM）截面校准。
（二）高反光孔壁测量噪声
镀铬孔壁（反射率 > 95%）会导致激光散斑噪声增强，干涉信号对比度下降至 35% 以下，圆度解算误差增加 40%。实验表明，未处理镀铬孔壁的圆度测量标准差达 0.6μm，采用偏振分光技术后降至 0.25μm，但系统成本增加 30%。
（三）深孔数据后处理瓶颈
超高分辨率扫描（点云密度 150 点 /μm²）产生的深孔点云数据量达 80MB / 孔，三维重建需 GPU 集群加速（单孔处理时间 8 分钟），难以满足生产线在线检测需求（节拍 < 3 分钟）。批量检测时压缩点云密度至 15 点 /μm²，直径测量精度下降至 ±0.7μm。
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.Hänsch（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）