1. 项目背景与工艺难点分析
在现代半导体、3C电子、精密光学及医疗器械制造中,对于狭小空间(如手机中框间隙、细孔内部、紧凑IC封装流道)内部透明物体(如透明点胶、玻璃透镜、光学薄膜)的位置与厚度测量需求日益迫切。此类场景存在以下核心技术难点,传统激光三角测量法已无法满足要求:
狭小空间限制(几何干涉) :传统的三角测距法需要“投射光”与“接收光”成一定夹角(通常为15°-45°),在狭小深孔或窄缝中,光路会被物体边缘遮挡,形成“阴影盲区”,根本无法成像。
透明材质穿透:普通激光传感器照射透明物体(玻璃/PET/胶水)时,光束会穿透并在其前后表面产生多次反射。由于传统激光能量调节单一,无法精准分辨哪个是从表面反射的信号,哪个是底部信号,且其光斑在透明件曲面上极易由于镜面反射逸出光学系,导致读数丢失。
复杂结构共面问题:在极小区域内可能同时存在透明胶水层与不透明金属基板;不同材质的反射率差异巨大,导致普通传感器自动增益控制(AGC)响应滞后,无法兼顾。
解决方案的核心技术路径:采用同轴光谱共焦技术(Chromatic Confocal)。
通过分析您提供的资料,HCY系列传感器正是基于光谱共焦原理设计,天然具备“同轴测量(光路不分叉)”和“波长选频(对材质色彩不敏感)”的特性,是对微纳级/狭小空间透明物体测量的最优解。

2. 测量原理模型与理论支撑
2.1 物理光学原理:光谱编码与同轴性
鉴于要应用HCT系列传感器,首先分析其工作机制:
系统由这光源中射出一束白光,通过光纤传导至传感器测头(Pen)。测头内部带有一枚特殊的具有超强色差能力的透镜(色差镜)。白光经过该透镜聚焦,由于不同波长的光折射率不同(蓝光折射率高,聚焦点近;红光折射率低,聚焦点远),在光轴上形成一系列连续的光谱焦点,称为“编码范围”。
当被测物体处于该测量范围内的某一位置时,只有对应“这一个波长”的光被高度聚焦并沿着原路径同轴反射回光纤孔(共焦小孔),其他波长的光则被滤除。光谱仪接收并解析这一单色光的波长主峰,即可算出物体表面的精确距离。
为何适合本案场景的科学依据(Scientific Foundation):
同轴设计克服盲区:由于发射光与接收光在同一轴线上(同轴),只要测量探头能对准缝隙,且孔径覆盖光斑边缘,就能够收到信号。完全消除了“三角测量阴影”。
多峰值算法应对透明件:当光束射入各向同性的透明材质(假设折射率 n>1)时,会在“空气-材料上表面”和“材料下表面-空气”产生两个反射峰。光谱仪会同时捕捉到波长 λ1(上表面)和 λ2(下表面)。
3. 传感器选型与参数说明
依据上传的《HCY系列光谱共焦传感器.pdf》,为了适配“狭小空间”且需具备高精度小光斑特性来实现对微小透明结构的定位,我选择如下组合:
推荐组合型号:
3.1 探头选择理由:HCY01045
尽管文档内的具体机械图纸缺失,但依据工业一般命名法则与PDF中给出的并列关系(HCY01045/HCY03560等),HCY01045 通常代表对量程和探头尺寸更为敏锐的小型化探头(例如量程1-5mm级别,分辨率达到20nm-40nm级别/根据通常共焦头属性),专为极高精度设计。且其外径大概率属于紧凑型笔式结构(通常笔式直径能做到Φ8mm甚至Φ4mm),能够完美探入机械臂缝隙、甚至深入手机组装的狭缝(gap)上方。
3.2 控制器选择理由:HCY502A
A型选择(光斑特性) :根据资料 “注:①A表示小光斑;B表示大光斑”,狭小空间内测量透明物体,边缘往往伴随倒角或弯曲,必须选择HCY502A小光斑版本。小光斑能减少曲面或粗糙面造成的散射效应,提高横向分辨率(Lateral Resolution)。
502双通道架构:HCY502系列支持一拖二。如果“位置测量”需要一个做差分基准(例如测两个透明薄片的间距,或者一个是基准面,一个是待测面),双通道控制器可以在同一个时钟周期内采集数据,避免机械振动带来的共模误差。
处理能力:资料提到 “参考距离4096次平均测试获得”,这暗示控制器至少支持数KHz的采样率,并在此时钟频率下可以开启均值滤波以获得亚微米级的稳定数据(数据稳定性不仅取决于探头,更取决于控制器的光谱解算算法)。

4. 系统工艺集成方案细则
本方案旨在描述如何将上述HCY传感器集成到精密自动组装或点胶检测设备中。场景模拟为智能穿戴设备中的曲面屏幕与金属外壳之间的UV透明胶水均一度及溢胶位置检测。
4.1 硬件架构设计
探头安装:
布线与热管理:
4.2 工艺软件流程与算法逻辑
系统将采用“透明多层提取模式”取代传统位移模式。
步骤一:光谱寻峰对准(Calibration)
步骤二:坐标变换与扫描(Meamsurement & Mapping)
设备带着HCY01045进行Fly-Scan(动态飞行扫描)。
系统接收控制器的高速信号。数据结构如下:
针对狭小空间的修正:因为空间狭小,探头可能并非严格垂直表面(会有微小倾角)。光谱共焦相比三角法有“最大接受角度”优势(通常 ±16°~±30°),只要倾角在范围内,测量值仅发生极微小的Co-sine (余弦)误差,可通过数学矩阵 [X,Y,Z]×Tmatrix 补偿,但这远优于三角法的信号彻底丢失或乱反射。
步骤三:透明度差异与干扰过滤(Data Filter)
4.3 数据交互接口选配
根据HCY系列常见工业配置,建议利用其高速Ethernet接口或模拟量(+/- 10V)。
考虑到“狭小空间透明件”的数据是微米级波动的,模拟电压的白噪声干扰必须最小化,因此强烈建议走数字通讯(如RS422或TCP/IP通讯协议)。
若产线需要闭环控制(Close loop),HCY502的双通讯口可以将一路数据给上位机绘图,另一路以“极值判定信号(OK/NG)”直接I/O输出给PLC控制传送带的剔除(Reject)动作。
5. 数据支撑能力预测(Based in Technical Principles)
基于光谱共焦 HC技术平台及通用精密测量指标,本方案预期到达的性具体参考数据如下(作为技术可行性设计的参考依据,具体以手册详述为准):
Z轴绝对测量精度(线性度): 对着HCY01045这类模型,参考量程如果是4mm左右,线性度通常控制在量程的 ±0.02 (即约 ±0.8μm 至 ±1μm)。这对于定位透明件通常要求公差 ±0.05mm 来说,有极充裕的过程能力指数(Cpk > 1.33)。
分辨率(静止重复精度): 得益于资料中提到的 “A(小光斑)” + “4096平均处理机制” ,其重复精度可轻提升至 0.05μm∼0.1μm 级别。这解决了狭小空间中光学衍射受限带来的分辨瓶颈。
最小可测透明厚度: 共焦原理通常允许分辨1/10量程甚至更薄的厚度。该系方案能分离出的最小玻璃或胶层可能低至 20μm∼50μm,完美适配OCA胶层检测。
6. 技术优势总结与结论
本方案建议采用 XSimple 分析过的《HCY系列光谱共焦传感器》中HCY01045(探头)与 HCY502A(控制器的小同轴光斑配置版) 达成目的。这套系统方案在技术层面是高度“科学化”且“应用导向”的:
光学科学性:利用色像差分光原理,波长对应距离。规避了因“狭小导致光会被遮挡”的根本问题,实现了“看得见就能测”的直射式测量。
工艺适应性:其对透明材料的多层波峰解析力、以及光纤传感端的无源冷工况,尤其适合半导体晶圆(Glass Wafer)堆叠缝隙、手机摄像模组AA制程中的VCM马达间隙等高附加、高密度、空间极度受限的场景。
兼容稳定性:系统的一拖二功能(HCY502)能够进行差动测量,抵消震动,确保数据在大规模自动化量产线上(而非仅实验室环境)依然真实可信。
综上所述,采用基于HCY系列色差共焦技术(光谱共焦技术),不仅解决了“怎么测”的难题,还提供了一套能进行厚度算法监控、闭环反馈并抵御同类多重反射干扰的完善工艺方案,是目前提升微装配品质的理想选择。