中國自動(dòng)化測量市場從2009年以來，受以蘋果生產(chǎn)鏈為代表，及其他3C制造生產(chǎn)鏈的影響，開始逐步大批量使用光學(xué)位移傳感器做質(zhì)量檢測，這種使用方式更多的是一種高精度的定性判斷，判斷產(chǎn)品是否在公差帶之內(nèi)。起初，一臺測量設(shè)備就是單一測量某一種樣品，這樣可以通過大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證找到數(shù)據(jù)相關(guān)性關(guān)系，再加上一定的各種補(bǔ)償值，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的質(zhì)量檢測目的。這種要求更多的是看傳感器及其整套測量設(shè)備的重復(fù)性，對絕對精度和分辨率沒有過高的要求。
但是現(xiàn)在隨著自動(dòng)化測量更大面積推廣，更多時(shí)候是一臺測量設(shè)備隨機(jī)測量各種樣品，每次測量前通過人為二次標(biāo)定實(shí)現(xiàn)測量精度就完全不現(xiàn)實(shí)了。在2.5次元、三坐標(biāo)等測量設(shè)備上裝載光譜共焦傳感器需要實(shí)現(xiàn)的是絕對精度的測量，對精度和分辨率的要求就要更高了。而不單單是看重復(fù)測量精度。
光譜共焦傳感器最突出的特點(diǎn)就是超高的精度和超高的分辨率。
怎么用一種簡單的辦法，驗(yàn)證一臺光譜共焦傳感器的精度和分辨率呢？
驗(yàn)證指標(biāo)
? ?精度、分辨率、重復(fù)性
? ? ?驗(yàn)證工具：“標(biāo)準(zhǔn)臺階塊”、“平面平晶” 和“V型鐵”
01
精度
注：專業(yè)驗(yàn)證位移傳感器精度的方式是一端用干涉儀，一端用位移傳感器，中間放測量目標(biāo)物（一般是平面平晶或者全放射平面鏡），通過測量比對干涉儀和位移傳感器的測量值，評價(jià)位移傳感器的線性精度。這種方式只能是在有高精度干涉儀和高精度運(yùn)動(dòng)臺的第三方機(jī)構(gòu)才可以實(shí)現(xiàn)。而用戶一般都是將傳感器加載到設(shè)備上，此種精度驗(yàn)證方式不方便在使用現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)。
我們推薦一種更簡單的方式，就是采用標(biāo)準(zhǔn)臺階驗(yàn)證光譜共焦傳感器的測量精度。這種方式簡單，容易在使用現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)，但是其中有一個(gè)最最關(guān)鍵的問題是需要有具備這種理想條件的臺階。我們稱這種理想的高精度臺階為“階規(guī)”。
“階規(guī)”需要具備的性能：
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平面度，每個(gè)臺階面必須具備超高的平面度，否則選取不同位置測量時(shí)就會有差異變化，無從評估傳感器的精度（THINKFOCUS階規(guī)平面度≤10nm）；
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平行度，兩個(gè)臺階面必須具備超高的平行度，否則選取不同位置測量時(shí)就會有差異變化，無從評估傳感器的精度（THINKFOCUS階規(guī)平行度≤10nm）；
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精度，保證平面度和平行度的前提下還要有絕對精度的保證，比如10um標(biāo)準(zhǔn)臺階，不能做出來個(gè)13um臺階（THINKFOCUS階規(guī)高度精度≤10nm）。
注：有些用戶可能會使用兩塊量塊疊加到一起做精度驗(yàn)證測量，這個(gè)是完全不可行的一個(gè)辦法。量塊自身平面度不佳，尤其是兩塊量塊手工擺到一起的平行度完全無從談起，量塊一般厚度精度標(biāo)稱也就是1um（而且整個(gè)面內(nèi)的厚度并非完全一致），所以無法評估測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1um的光譜共焦傳感器。
型號：CDS-500/OP5-Fe
中國計(jì)量科學(xué)研究院精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)。
型號：CDS-500/OP4-Fe
上海交通大學(xué)精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)。
精度驗(yàn)證?
使用THINKFOCUS高精度階規(guī)，將光譜共焦測頭加載到測量設(shè)備上，讓光譜共焦測頭對階規(guī)做（X或Y方向）相對掃描運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)獲取光譜共焦的測量值。建議獲取的是整條掃描軸上一列的測量值，可以將此列測量值做二乘法擬合校平處理，以便消除測頭和階規(guī)因?yàn)閿[放角度而帶來的誤差影響。
THINKFOCUS光譜共焦測量精度驗(yàn)證結(jié)果
中國計(jì)量科學(xué)研究院對THINKFOCUS階規(guī)的計(jì)量結(jié)果——?中心區(qū)實(shí)測值小于10nm。
02
分辨率
分辨率是指傳感器在量程范圍內(nèi)能夠檢測出的被測量對象最小變化量。分辨率也是評價(jià)光譜共焦傳感器最基礎(chǔ)、最簡單的一個(gè)部分。因?yàn)橛脩艚?jīng)常會直接看整套設(shè)備測量的整體重復(fù)性，所以把分辨率有一定忽略。
評價(jià)光譜共焦傳感器分辨率最簡單的辦法就是看傳感器及被測物均靜止不動(dòng)時(shí)，傳感器的示值波動(dòng)。
請注意！以日系廠家為代表，很多廠家在分辨率上都有嚴(yán)重作弊。在看傳感器參數(shù)表時(shí)候一定注意看其下面的小字標(biāo)注。很多廠家分辨率的參數(shù)是在2048次甚至16384次平均的前提下給出的，實(shí)際使用中根本無法接受如此高的平均計(jì)算后輸出結(jié)果數(shù)據(jù)（例如用1khz采樣頻率計(jì)算，16384次平均就是1.6384s中的測量數(shù)據(jù)平均，然后才可以輸出一次測量值）。自動(dòng)化測量都是在高速運(yùn)動(dòng)中測量，過高的移動(dòng)平均會將被測樣品實(shí)際形貌完全過濾掉。THINKFOCUS光譜共焦傳感器在出廠標(biāo)定和絕大多數(shù)使用場合均是采用無平均化處理。
分辨率驗(yàn)證?
注：分辨率的驗(yàn)證看似簡單，但是一定要注意避免一個(gè)大問題，就是結(jié)構(gòu)的振動(dòng)或者變形。很多自動(dòng)化測量設(shè)備都是采用機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，并且還是多級多軸的連接，如果在這種結(jié)構(gòu)上去驗(yàn)證分辨率，監(jiān)測一定時(shí)長（比如5分鐘甚至更長時(shí)間）就會看到傳感器的數(shù)值在短時(shí)間內(nèi)存在跳動(dòng)，并且在長時(shí)間看存在一個(gè)類似漂移值。這種問題存在兩種可能，一種可能是傳感器自身的確是分辨率比較差，并且存在明顯的溫漂現(xiàn)象；還一種可能是以上現(xiàn)象是因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性導(dǎo)致，不是傳感器的問題。
V型鐵
為了剔除機(jī)械結(jié)構(gòu)對傳感器測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證的影響，我們建議將光譜共焦測頭和平面平晶，平放到V型鐵上（如上圖）?？孔陨碇亓[放，沒有外力影響。這樣是既容易，又最簡單的剔除機(jī)械結(jié)構(gòu)影響的辦法。使用平面平晶是因?yàn)榈谝还庾V共焦的出廠標(biāo)定一般都是用平面平晶，第二平面平晶也是圓柱形，方便跟共焦測頭一起擺放到V形鐵上。如果必須懸掛放置，請務(wù)必減少連接層級，使用穩(wěn)固的方鋼或者大理石構(gòu)件（如下視頻所示）。
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03
重復(fù)性
重復(fù)性是業(yè)內(nèi)經(jīng)常會去評價(jià)的一個(gè)指標(biāo)，這里不做贅述，一般都是放置實(shí)際測量樣品，運(yùn)行設(shè)備和軟件，10次-30次看測量結(jié)果的重復(fù)性。
重復(fù)性驗(yàn)證
CLS-3000測量油墨的重復(fù)性視頻
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：如何驗(yàn)證光譜共焦傳感器的精度丨科普篇
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