版本：1.0 | 编制日期：2024 | 密级：公开技术文档
摘要 (Executive Summary)
随着工业4.0对精密制造要求的提升，非接触式测量技术已从微米级跨越至纳米级。在3C电子、各向异性材料测量、半导体晶圆检测及复杂的透明体曲面测量领域，传统的激光三角法和接触式探针已难以满足当下的技术指标。本白皮书将深入剖析基于色散原理的光谱共焦（Chromatic Confocal）测量技术，重点结合 LiYi Tek（LT系列）包括LT-CCD双通道、LT-CCS单通道及LT-CCH高速系列 的硬件架构、Modbus 传输协议底层逻辑以及核心算法应用，为自动化工程师、光学研究人员及系统集成商提供一份详尽的技术实施指南。
第一章：测量技术的演进与挑战 (Technology Evolution)
1.1 精密测量的技术瓶颈
在精密工程领域，位移与形貌测量长期面临三大挑战：
- 高亮面与镜面干扰：传统激光三角法虽然成熟，但在测量高反射率镜面或透明曲面时，极易产生"测量盲区"或因漫反射信号微弱导致精度失效。
- 材质适应性：从黑色橡胶到透明玻璃，不同材质的折射率和吸光率对传感器提出了严苛的动态范围要求。
- 多层透明体测量：需要在不破坏物体并仅单侧测量的条件下，精准获取每一层玻璃或胶膜的厚度，而非单纯的表面轮廓。
1.2 光谱共焦技术原理
光谱共焦技术利用光学"色散"原理（Chromatic Aberration）。
- 物理机制：系统包括宽带光源（LED）、光纤接口、多透镜组成的色散镜头以及光谱分析仪。
- 光路解析：光源发出的白光经过光纤传输至传感器镜头，通过特殊色散透镜组后，不同波长的光聚焦在光轴的不同位置上，形成一条连续的光谱轴向焦点线。
- 解码过程：当照射到被测物体表面时，仅有与微小光斑"聚焦完全一致"的即该特定波长的光能通过共焦孔（Pinhole）返回，并被光谱仪接收。通过光谱仪分析返回光能分布最强波长的峰值（Peak Wavelength），建立"波长-距离"的一一对应函数，从而实现位移的精确解算。
第二章：LT系列系统硬件与光学架构 (Hardware Architecture)
2.1 系统拓扑结构
基于文档资料，LT系统采用了模块化分离设计（Controller & Probe Head Separation）：
- 控制器单元（LT-CCS/CCD/CCH系列） ：负责光源驱动、光谱信号采集（Spectrometer acquisition）、算法解码（Signal Processing）及通信传输。其中LT-CCD设计为双通道架构，支持同时接入两只测头进行差分测量（如厚度测量）。
- LTC系列光谱共焦位移传感器（测头） ：纯光学被动器件，无电路发热漂移问题。设计采用了超大数值孔径（NA），最大支持的接收倾角显著优于同类产品（例如达到±28°~±45°，视具体型号）。
2.2 核心组件性能剖析
- 光源引擎：高稳频白光LED光源，解决了传统卤素灯寿命短且热稳定性差的问题。
- 成像单元：采用高线性度CCD元件（线性阵列），通过FPGA对原始光谱灰度数据进行预处理。
- 热隔离设计：光纤连接实现了控制器与测量端的完全电气热隔离，极适合强电磁干扰环境。
第三章：双通道互联与Modbus协议深度集成 (Advanced Integration)
本章节依据 LT-CCD Modbus文档 用于系统开发的详细指引。
3.1 工业总线架构
LT系列控制器提供多种接口，核心通过工业以太网（Modbus TCP）及串行通信（RS232/RA422）进行交互。对于自动化产线集成，准确理解其寄存器映射（Memory Map）与帧结构至关重要。
3.2 Modbus TCP 通讯报文解析（深度案例）
在自动化场景中，上位机作为 Master (Client)，传感器作为 Slave (Server)。
3.2.1 读取测量值的报文交互分析
根据技术规范，双通道的数值反馈机制采用Hex封包。
场景案例：上位机请求读取当前测量参数（包含曝光时间、状态等）。
- 上位机（发送） ：
29 ED 00 00 00 06 01 06 00 41 00 0029 ED(事务处理ID)：用于标识响应匹配。00 00(协议标识)：标准的Modbus协议。00 06(长度)：后续字节长度。01(单元标识符)：从机地址。06(功能码)：写单个寄存器。00 41(寄存器起始)：对应控制参数设置区域。00 00(值)：写入指令。
3.3.2 响应机制解析
传感器返回报文保持了对应的Modbus标准，以确保PLC或工控机的可靠 handshake。
- 传感器（响应） ：
29 ED 00 00 00 06 01 06 00 41 00 00
通过相同的 PID (Protocol Identifier) 可以确保多问多答时不产生数据错乱。当通信发生 CRC 校验错误时，功能码将加上 0x80 返回错误应答，如回应101 (Client ID) + 0x83/0x86即代表访问异常。
3.3 参数及寄存器全图谱
为方便开发，将核心寄存器（Modbus 002XXX 系列）的功能定义列写如下：
| 寄存器地址 (Hex) | 功能描述 (Description) | 数据长度/类型 | 工程量纲 |
|---|---|---|---|
| 0x000F | 编码器/外部触发计数 | 随着脉冲输入递增 | 脉冲数 |
| 0x0013 | 参数固化指令 | 0=无效，1=写入Flash | Boolean |
| 0x0015 | 通道1：各种厚度模型折射率 | INT16 (系数*1000) | n值修正 |
| 0x000E | 峰值/波峰状态字 | BIT Map | 有波/无波标志 |
针对各种非标的透明体（如蓝宝石玻璃、PET薄膜），工程师须通过写入 0x0015~0x0030 地址段的"折射率对应表编号"对系统内算法进行修正。这是LT系列区别于简单测距仪的核心算法优势，可以解决"真值厚度≠光学厚度×单一折射率"的非线性问题。
第四章：高级信号处理算法 (Algorithm in LT Series)
4.1 峰值检测与多波峰计算
传统三角法由光斑重心决定距离，易受信噪比干扰。LT系列传感器采用高斯拟合与质心算法结合：
- 波峰搜索（Global Scanning） ：快速在宽带光谱扫描寻找可能的波峰区域。
- 区域曝光算法（S-Curve Fit） ：针对微弱信号（如深孔底部）和超强信号（如镜面反射）自动切换"Auto-Exposure"。
- 多层分离（Multi-Peak Logic） ：
- 应用场景：检测夹胶玻璃厚度。
- 逻辑：光束先后穿过上表面、胶合层、下表面。控制器会接收到3-4个独立波峰。LT算法引擎会将波长距离 λ1,λ2...λ1,λ2... 进行差分互算。
- 寄存器
0022h - 0027h负责承载厚度计算的特定系数，针对不同材料层的折射率进行修正。
4.2 差分测量原理 (LT-CCD双通道独有)
对于柔性电路板（FPC）或锂电池极片厚度测量，单头无法完成测量（不知道背面位置）。双通道 LT-CCD 模式如下：
- Sensor Head A：测量上方距离 H1H1。
- Sensor Head B：测量下方距离 H2H2。
- 标定值：两头光学中心距 DD。
- 实体厚度 ：T=D−(H1+H2)T=D−(H1+H2)。
数据同步性是关键，LT控制器内部FPGA控制并行采样，确保 H1H1 和 H2H2 是针对同一时刻、同一微米位置的采样，防止因运动产生的Abbe误差（Abbe Error）。
第五章：安装规范与工程最佳实践 (Installation)
5.1 光纤使用守则
- 弯曲半径：共焦传感器的"生命线"是光纤。LT手册严格警告：光纤弯曲半径必须 ≥40mm≥40mm (铠装型) 或更高，这是基于全内反射效率保护，过度弯曲将引发光谱能量损失，系统产生"Low Signal Error"。
- 插拔规范：禁止热插拔后的界面污染，任何灰尘在光通量极小的nm级光谱分析中都会形变为巨大的信号基底噪声。
5.2 倾角与曲面测试 (Maximum Inclination)
LT测头 (LTC系列) 设计有高低孔径方案。
- 对于LTC-08/13等高精度测头，虽然量程小，但NA值极高，可测高达 ±45° 的倒角边缘。
- 对于大曲率（如手机3D玻璃角），在系统集成与运动机构（Gantry）设计时，光斑切向必须保持在测头允许的"Solid Angle"内。
第六章：典型行业应用案例 (Applications)
6.1 锂电行业：涂布厚度闭环控制
使用 LT-CCS 高速版加载在涂布头后方。
- 需求：湿膜到干膜的快速检测。
- 策略：通过检测基材与涂层表面的反射峰位差直接读出湿膜厚度，通过 Mobuds TCP 以 4KHz 实时反馈给涂布机 PLC 调整供胶量。
6.2 3C制造：手机中框点胶检测
- 难点：胶水位移且由透明 UV 胶组成，接触式无法测量。
- 方案：LTC测头扫描胶路截面，通过采集胶体顶部与基板的"高度差"(Peak Difference) ，并结合横向扫描轴形成 3D Profile cloud map。
6.3 半导体：晶圆翘曲（Bow/Warp）度检测
结合 LT-CCD，利用三点调平或多点扫描映射出的 Wafer Plane。光谱共焦的冷光源不产生额外热变形，也不受晶圆表明光刻图层的颜色吸收率变化影响。
结论与展望
基于各种复杂精密测量需求，LT系列光谱共焦传感器通过创新的双通道硬件拓扑、灵活的 Modbus/RS 现场总线集成能力以及强大的多层透明件解算功能，填补了毫米级视觉与纯接触式测量中间的巨大应用空白。随着芯片算力的提升，未来的光谱共焦系统将向着"更大深度（DoF）"与"更快频率（>70kHz）"迈进，使100%全检在超精密制造流水线上成为可能。