双光子双光梳激光雷达实现对微小物体的三维测量
2026-07-10 21:50:59   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

英国赫瑞-瓦特大学的这项激光雷达新技术有望提升制造业中的非接触式检测与质量控制水平。

据麦姆斯咨询报道，近日，英国赫瑞-瓦特大学（Heriot-Watt University）的研究人员开发出一种双光子双光梳激光雷达（LiDAR）成像技术，能够以远高于传统激光雷达的精度和准确度对微小物体进行成像。该技术可用于在制造过程中对关键零部件或特征进行非接触式测量。

这项研究项目负责人Derryck T. Reid表示：“像自动驾驶汽车所使用的激光雷达，通常在远距离上对道路、汽车和树木等大型物体进行测量，精度在几厘米左右。而我们的新型激光雷达成像技术在实现全电子化探测方案的同时，达到更高的测量精度，规避了部分高精度测量系统结构复杂、难以规模化部署的难题。”

研究人员利用双光子双光梳激光雷达对多款标准测试工件开展三维成像：（a）测试工件CAD模型，截面视图标注各表面高度；（b）加工实物；（c）双光子双光梳激光雷达采集的三维点云，可实现深度分辨成像，点云数据完整呈现工件全部六个平面。

相关论文以“Two-photon dual-comb LiDAR imaging”为题，发表于Optics Letters期刊上，研究人员介绍了他们基于双光子双光梳测距的新型成像技术。研究表明，这项技术能在400 mm之外，以微米级精度生成小型铝制工件的精细三维形貌图像。

（a）双光子双光梳激光雷达；（b）光束半径实测数据（散点标记）与拟合曲线（红色实线），高度取值基准为被测工件各表面中点。

Derryck T. Reid表示：“我们的双光子双光梳激光雷达成像技术在制造业中极具应用前景。传统上，测量物体的关键特征需要使用接触式机械工具，而我们这项新技术能够以非接触方式验证发动机内部等难以触及的部件是否制造合格。”

该激光雷达研究项目源于赫瑞-瓦特大学与雷尼绍公司（Renishaw PLC）的产业合作。雷尼绍是一家为航空航天和汽车工业提供精密测量仪器的制造商。

Derryck T. Reid介绍道：“双光子双光梳激光雷达成像技术是我们前期工作的延伸。此前的技术虽然能在单点上实现极高精度的测量，但无法完成工件表面多点同步测量。当时我们展示了如何对黄铜、铜、铝等金属表面进行距离测量，因此，将这一能力扩展至小型金属物体的完整三维成像，便成了顺理成章的下一步。”

双光子双光梳激光雷达成像技术结合了超精密激光时序同步与非线性探测技术，能够实现超高测距精度。传统激光雷达通常使用纳秒级光脉冲，而该新型激光雷达采用的脉冲持续时间仅为数百飞秒，这种更短的脉冲使得测量精度大幅提升。

尽管许多研究人员一直在研究双光梳激光雷达技术，但Derryck T. Reid团队率先开发出一种全电子化的双光梳成像探测方案。该方案利用双光子吸收（two-photon absorption）效应，将回波光脉冲直接转换为电信号。这降低了系统对光强波动的敏感度，使其能够使用更简单的激光器。

为验证该双光梳成像探测方案，研究人员与哈德斯菲尔德大学（University of Huddersfield）精密技术中心合作，由该中心提供铝制标准测试件用于实验验证。这些测试件经过数控铣削加工，包含多种定制化精密形貌特征。例如，其中一个测试件的外形尺寸为50×50×30 mm³，其表面包含圆形、菱形、方形、台阶面以及沉孔等结构。

利用这些测试件，研究人员证明双光子双光梳激光雷达能够重建微米级精度三维点云数据，对三个表面的测量准确度在9 µm至38 µm之间。

在完成了概念验证演示之后，研究人员正致力于提升该技术的速度；具体做法是让光束在物体表面进行扫描，而不是在激光束下方物理移动被测物体。此外，他们还在试验采用更高脉冲重复频率的激光器，以期进一步提高性能。

延伸阅读：

《3D成像与传感-2025版》

《汽车激光雷达专利全景分析-2025版》