1 、引言

氣動閥塊孔是氣動控制系統的核心流道結構，承擔著壓縮空氣傳輸、閥組安裝定位的關鍵功能，其孔深精度直接決定閥塊裝配密封性、氣流控制精度，進而影響氣動系統的響應速度與運行穩定性。傳統測量技術如接觸式探針測量易劃傷孔壁、殘留金屬碎屑，可能導致氣路堵塞或泄漏，且針對閥塊內部密集交錯的孔道存在可達性差的問題；超聲測量受閥塊鋁合金/鑄鐵材料的聲衰減及孔道界面反射干擾，測量誤差難以滿足精密氣動系統的檢測需求。激光頻率梳技術憑借等間隔頻率梳齒的高精度時頻基準優勢，實現頻域與時域的精準轉換，且具備非接觸、無損傷、高效率測量特性，為氣動閥塊孔深3D輪廓測量提供了可靠解決方案。本文提出基于激光頻率梳的氣動閥塊孔深光學3D輪廓測量方法，旨在突破傳統技術瓶頸，滿足閥塊量產檢測的高精度與高效率需求。

2 、激光頻率梳3D輪廓測量原理

激光頻率梳通過飛秒激光器產生超短脈沖序列，經非線性光學效應生成等頻率間隔的梳齒狀光譜，其重復頻率與載波包絡偏移頻率的雙鎖定機制，可提供精度達10?1?量級的時頻基準。在3D輪廓測量中，激光頻率梳輸出的脈沖光經高精度微透鏡組縮束與準直調制后，投射至氣動閥塊孔表面，反射光與參考光在探測器上形成干涉信號，相位差與光程差呈嚴格線性對應關系。通過傅里葉變換解析干涉信號，結合莫爾條紋相位調制原理，可將條紋偏移量轉化為孔壁與孔底的高度信息，即滿足h = (Δx·λ)/(2·sinθ)（其中Δx為條紋偏移量，λ為激光波長，θ為投影角度）。相較于傳統光學測量，該技術借助長相干長度特性（可調至120mm）突破閥塊孔密集交錯遮擋與長光程衰減限制，實現孔底輪廓的完整、無損傷、高精度重建。

3 、測量系統設計與實驗驗證

3.1 系統結構設計

測量系統由激光頻率梳模塊、微光束精準調制模塊、圖像采集模塊及數據處理模塊組成。激光頻率梳模塊選用650kHz高頻飛秒激光器，輸出635nm紅光脈沖，既保證閥塊鋁合金/鑄鐵孔壁的反射效率，又避免激光能量對孔壁造成損傷；微光束精準調制模塊通過高倍率微透鏡組實現光束聚焦（聚焦光斑直徑≤35μm），配合多自由度微型電動云臺驅動實現±155°俯仰掃描，確保覆蓋閥塊內部密集交錯孔道的全深度區域；圖像采集模塊采用高靈敏度、抗干擾CCD相機，配合頻率梳時間戳標記實現干涉條紋的同步清晰采集；數據處理模塊基于加權最小二乘法完成相位解包裹，結合氣動閥塊孔的圓柱面與斜面復合校準模型修正坐標偏差，最終精確計算孔深值。

3.2 實驗驗證

實驗選取標準氣動閥塊樣品，含直徑2-6mm、深度20-80mm的孔道共40個，以高精度X-CT測量值為基準。系統掃描速度設為22mm/s，點云密度90點

激光頻率梳3D光學輪廓測量系統簡介：

20世紀80年代，飛秒鎖模激光器取得重要進展。2000年左右，美國J.Hall教授團隊憑借自參考f-2f技術，成功實現載波包絡相位穩定的鈦寶石鎖模激光器，標志著飛秒光學頻率梳正式誕生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德國馬克斯普朗克量子光學研究所）與John.L.Hall（美國國家標準和技術研究所）因在該領域的卓越貢獻，共同榮獲諾貝爾物理學獎。

系統基于激光頻率梳原理，采用500kHz高頻激光脈沖飛行測距技術，打破傳統光學遮擋限制，專為深孔、凹槽等復雜大型結構件測量而生。在1m超長工作距離下，仍能保持微米級精度，革新自動化檢測技術。

核心技術優勢

①同軸落射測距：獨特掃描方式攻克光學“遮擋”難題，適用于縱橫溝壑的閥體油路板等復雜結構；

②高精度大縱深：以±2μm精度實現最大130mm高度/深度掃描成像；

③多鏡頭大視野：支持組合配置，輕松覆蓋數十米范圍的檢測需求。