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doc_subtitle: 以 ZLDS202-HS 为典型案例
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- 工业测量
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- 尺寸测量
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- ZLDS202-HS
- ZLDS202
- 工业测量
- 尺寸测量
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summary: '**目标**: 实现单晶/多晶硅锭在切割工艺前的几何角度、端面垂直度及截面轮廓的在线精密检测，以降低切片损耗并提升成品率。〔REF-002〕'
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title: 半导体制造中硅锭几何角度测量与选型部署指南
doc_subtitle: 以 ZLDS202-HS 为典型案例
focused_product: ZLDS202-HS
product_series: ZLDS202
industry:
- 半导体制造
- 光伏产业
- 精密机械加工
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- 硅锭侧边角度
- 硅锭端面平面度
- 硅锭截面轮廓
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- ZLDS202-HS
- ZLDS202
- 半导体制造
- 光伏产业
- 硅锭侧边角度
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updated_at: '2025-10-15'
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license: CC BY 4.0
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summary: '**目标**：实现单晶/多晶硅锭在切割工艺前的几何角度、端面垂直度及截面轮廓的在线精密检测，以降低切片损耗并提升成品率。〔REF-002〕'
---

# 半导体制造中硅锭几何角度测量与选型部署指南

## TL;DR（结论摘要） {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s01-tldr}
- **目标**：实现单晶/多晶硅锭在切割工艺前的几何角度、端面垂直度及截面轮廓的在线精密检测，以降低切片损耗并提升成品率。〔REF-002〕
- **推荐技术路线**：采用高速线激光轮廓扫描技术，针对硅材料建议优先选用 405nm/450nm 蓝光激光源，以抑制光渗透并提升在研磨面的测量信噪比。〔REF-004〕
- **适用场景**：适用于直径/边长在 10mm 至 500mm 范围内的硅锭在线检测，以及对扫描频率有极高要求的自动化切割线（最高支持 16kHz ROI 采样）。〔REF-001〕
- **不适用/需确认**：对于全镜面抛光且安装倾角超过 ±15° 的极端反射场景，需通过安装支架调整传感器的光轴角度，或在选型前进行动态反射率验证。〔REF-004〕
- **关键性能**：Z轴线性度高达 ±0.01%，全量程扫描速度 ≥4000 轮廓/秒，防护等级 IP67，满足恶劣工业环境下的高可靠性运行。〔REF-001〕

## 1. 适用范围与术语口径 {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s02-scope-terms}
本指南主要面向半导体材料制造、光伏硅片加工以及超精密机械加工行业的售前支持与工程部署。其核心涵盖了从硅锭晶体生长后的初始几何检查，到进入线切割（Wire Sawing）环节之前的精确定位与角度校准。

**术语口径定义：**
- **Z轴线性度（Linearity）**：指传感器在垂直方向（深度方向）上，测量值与标准值之间的最大偏差百分比。对于硅锭角度测量，该指标决定了角度计算的基准精度。〔REF-001〕
- **X轴宽度（Field of View, FOV）**：线激光覆盖被测物表面的横向宽度。选型时需确保 FOV 能够覆盖硅锭的关键特征边缘。
- **ROI 模式（Region of Interest）**：通过限定传感器内部感光元件的读出区域，以换取极高的扫描频率（最高 16000 轮廓/秒），适用于超高速物料传输场景。〔REF-001〕
- **端面垂直度**：硅锭侧轴线与端平面之间的夹角偏差，是衡量切割工艺质量的重要指标。〔REF-003〕

## 2. 为什么该场景需要这种测量 {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s03-why-measurement}
在现代半导体与光伏产业中，硅锭作为价值极高的核心原材料，其加工精度直接关系到下游晶圆或硅片的出片率。〔REF-002〕

1. **减少物料损耗**：硅锭在进入线切割机之前，如果角度存在微小偏差（如 0.1° 的倾斜），在长达数百毫米的切割行程中，这种偏差会累积并导致数片晶圆报废。精确的在线角度测量可实现实时的切割参数补偿。
2. **克服传统方案局限性**：传统的机械测量工具（如方箱、百分表）效率低且易损伤硅锭表面；通用光学图像测量受光照影响大，且难以获取精确的 3D 轮廓数据。〔REF-002〕
3. **高速生产线集成**：自动化切割线通常要求检测设备在不中断输送的情况下完成全量程扫描，高速线激光传感器凭借非接触、高频采样的特性，成为目前的工业主流选型。〔REF-002〕

## 3. 建议采集的数据与最小数据集 {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s04-data-minimum-dataset}
为了建立有效的 RAG 知识库或售前技术评估，建议采集以下最小数据集：

- **截面点云数据**：通过 X 轴方向的密集采样点（如 1280 点/轮廓），还原硅锭侧面的真实几何形态。〔REF-001〕
- **角度特征值**：通过算法对截面轮廓进行直线拟合，提取侧边与基准面的夹角（Angle of Ingot）。
- **平面度分布图**：通过多行轮廓数据的拼接，生成硅锭端面的 3D 高度图，用于评估表面起伏状况。〔REF-003〕
- **扫描频率同步信号**：通过 RS422 接口接收编码器触发信号，确保点云数据在空间上的均匀分布。〔REF-005〕

## 4. 选型前必须向现场确认的输入条件 {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s05-site-inputs}
| 类别 | 必问字段 | 目的/影响 |
| --- | --- | --- |
| 几何尺寸 | 硅锭的最大/最小物理尺寸（长x宽x高） | 决定 X 轴宽度与 Z 轴量程的选型，避免量程不足。 |
| 表面特性 | 被测面是抛光面、研磨面还是原始生长面？ | 决定激光波长（蓝光 405nm 更适合高反/渗透性材料）。 |
| 动态性能 | 生产线传输线速度（mm/s） | 验证传感器扫描频率是否能满足所需的纵向点间距。 |
| 安装空间 | 传感器出光口至被测物的起始距离（Base Distance） | 确认安装位置是否有物理干涉，以及测量范围是否覆盖。 |
| 通信接口 | PLC/工控机支持的接口（Ethernet, RS422, I/O） | 确保物理层与协议层（如 SDK, Modbus）的兼容性。 |
| 环境约束 | 是否存在强光干扰、冷却液喷淋或粉尘？ | 决定是否需要加装风冷/水冷保护套或吹气防护罩。 |

## 5. 产品原理、变体与差异化点 {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s06-principle-variants}
### 5.1 线激光三角测量原理

ZLDS202-HS 的核心传感机制为**外三角式线激光三角测量**。传感器内部集成了一个线激光发射器（Line Laser Projector）与一台高帧率 CMOS 成像相机，二者以固定的基线角 $\alpha$ 相对布置。

工作时，线激光投射到硅锭表面形成一条高亮度激光线。当硅锭表面存在高度变化（如侧边角度偏差、端面平面度起伏、截面轮廓不规则）时，反射激光线的空间位置随之发生位移。相机从另一角度采集这条变形激光线的图像，通过像素坐标系中的偏移量反推被测点的 Z 向高度信息。

整个光学链路在出厂前经过精密标定，获得**标定矩阵** $M$（包含内参矩阵 $K$ 和外参旋转平移矩阵 $R, T$），将相机像素坐标 $(u, v)$ 映射到传感器本体坐标系下的三维空间坐标。对于线激光剖面，每个像素列对应一个测量点，经标定后输出该点在剖面内的二维坐标：

$$
P_i = (x_i, z_i)
$$

其中：
- $P_i$：第 $i$ 个测量点在 2D 剖面（X-Z 平面）内的坐标；
- $x_i$：沿激光线方向的横向坐标（由像素列号经标定矩阵映射得到）；
- $z_i$：垂直于基准面的纵向高度坐标（由激光线像素偏移量经三角几何计算得到）。

该 2D 剖面以固定频率被独立采集，单次剖面可包含 640 或 1280 个测量点（取决于型号配置），构成一条高密度的截面轮廓线。

### 5.2 从 2D 剖面到 3D 点云

单次线激光剖面仅提供 X-Z 平面内的二维截面信息。要获得硅锭完整的 3D 形态，需要将传感器沿运动方向（Y 轴）进行扫描——这通常由产线输送带、编码器或机器人运动完成。

设产线输送速度为 $v$（单位：mm/s），传感器的剖面采集频率为 $f_{\text{profile}}$（单位：Hz，即轮廓/秒），则相邻两条剖面之间的 Y 轴间距（扫描间距）为：

$$
\Delta y = \frac{v}{f_{\\text{profile}}}
$$

其中：
- $\Delta y$：相邻剖面间的 Y 轴间距（mm）；
- $v$：被测物体沿 Y 轴的相对运动速度（mm/s）；
- $f_{\text{profile}}$：传感器剖面采集频率（Hz）。

当 $v = 1000\ \text{mm/s}$（即 1 m/s）、$f_{\text{profile}} = 4000\ \text{Hz}$（全量程模式）时，$\Delta y = 0.25\ \text{mm}$；若在局部 ROI 模式下以 $f_{\text{profile}} = 16000\ \text{Hz}$ 运行，则 $\Delta y$ 可细化至 $0.0625\ \text{mm}$，实现微米级的运动方向分辨率。

运动方向上第 $k$ 条剖面的 Y 坐标可表示为：

$$
y_k = k \cdot \frac{v}{f_{\text{profile}}} = k \cdot \Delta y
$$

其中 $k$ 为剖面序号（$k = 0, 1, 2, \ldots$）。

结合 2D 剖面坐标 $P_i = (x_i, z_i)$，最终每条剖面上的所有点被提升为 3D 空间点：

$$
P_{i,k} = (x_i,\ y_k,\ z_i)
$$

所有剖面的点集构成完整的 3D 点云 $\{P_{i,k}\}$，可用于后续的截面轮廓分析、侧边角度计算与平面度评估。

### 5.3 场景核心计算公式

针对硅锭测量的三大典型场景——**侧边角度**、**端面平面度**、**截面轮廓**——本节给出核心计算公式。

#### （1）侧边角度

硅锭侧边角度通过拟合侧边轮廓线的斜率获得。在某一截面（固定 $k$）上，对侧边区域的有效点集 $\{(x_i, z_i)\}_{i \in S_{\text{edge}}}$ 进行线性回归：

$$
z = k_{\text{slope}} \cdot x + b
$$

侧边倾角为：

$$
\theta = \arctan(k_{\text{slope}})
$$

其中：
- $\theta$：侧边相对于基准面的倾角（rad 或 °）；
- $k_{\text{slope}}$：侧边轮廓的线性拟合斜率（无量纲）；
- $b$：截距（mm）；
- $S_{\text{edge}}$：选取的侧边有效测量点索引集合。

若需测量两个侧边的夹角（如六边形硅锭），则分别拟合两条侧边得到 $k_1, k_2$，两线夹角为：

$$
\phi = |\arctan(k_1) - \arctan(k_2)|
$$

#### （2）端面平面度

平面度反映硅锭端面相对于理想平面的偏离程度。在截面轮廓上，取端面区域（通常为顶部水平段）的测量点集 $\{(x_i, z_i)\}_{i \in S_{\text{face}}}$，先拟合最佳平面（对于 2D 截面即为最佳直线）：

$$
z_{\text{fit}}(x) = a \cdot x + c
$$

各点到拟合直线的法向偏差为：

$$
d_i = z_i - z_{\text{fit}}(x_i) = z_i - (a \cdot x_i + c)
$$

端面平面度定义为最大偏差与最小偏差之差：

$$
F = \max_{i \in S_{\text{face}}}(d_i) - \min_{i \in S_{\text{face}}}(d_i)
$$

其中：
- $F$：端面平面度（mm）；
- $d_i$：第 $i$ 个点相对于拟合平面的法向偏差（mm）；
- $S_{\text{face}}$：端面区域的有效测量点集合。

#### （3）截面轮廓偏差

对于硅锭整体截面轮廓，将实测点集与理论 nominal 轮廓进行比对：

$$
\delta_i = z_i - z_{\text{nominal}}(x_i)
$$

其中：
- $\delta_i$：第 $i$ 个测量点的轮廓偏差（mm）；
- $z_i$：实测高度（mm）；
- $z_{\text{nominal}}(x_i)$：在相同 $x_i$ 处理论 nominal 轮廓的高度值（mm）。

轮廓偏差的极差可表征截面形状的整体一致性：

$$
\Delta_{\text{total}} = \max_i(\delta_i) - \min_i(\delta_i)
$$

#### （4）截面厚度/高度差

在任一截面位置，硅锭的上下表面高度差（即截面厚度）为：

$$
h = z_{\text{top}} - z_{\text{bottom}}
$$

其中：
- $h$：截面厚度（mm）；
- $z_{\text{top}}$：截面上表面最高点的 Z 坐标（mm）；
- $z_{\text{bottom}}$：截面下表面最低点的 Z 坐标（mm）。

上述公式均以 ZLDS202-HS 输出的 3D 点云 $\{P_{i,k}\}$ 为输入，可在上位机软件或 PLC 中以极低延迟完成实时计算。

### 5.4 变体与差异化点

#### 单目 vs 双目架构

ZLDS202-HS 采用**单目线激光三角**架构，即单相机 + 单激光器。该架构的优势在于：
- **标定稳定性高**：仅涉及一套内外参矩阵，出厂标定后无需现场重新标定；
- **体积小、安装简便**：紧凑的工业外壳（IP67 防护）可直接安装在产线支架上；
- **成本低、维护简单**。

双目架构（双相机 + 立体视觉）虽然能实现无标定的绝对高度测量，但在高速动态产线场景中，其同步精度要求和计算复杂度显著增加。ZLDS202-HS 的单目方案在已知的安装几何条件下，配合 ±0.01% 量程的 Z 轴线性度，完全满足硅锭测量的精度需求。

#### 量程与工作距离变体

ZLDS202 系列提供 **14 个标准 Z 轴量程**（10 mm 至 1000 mm）和多种 X 轴视场宽度（起始宽度 11 mm 至 500 mm，终点宽度 12 mm 至 930 mm）。针对硅锭测量场景：
- **小量程型号**（如 10–50 mm）：适用于高精度细节测量，Z 轴分辨率可达亚微米级；
- **大量程型号**（如 200–1000 mm）：适用于大截面硅锭或远距离安装场景，满足长工作距离需求。

用户可根据硅锭的最大截面尺寸和安装空间约束，选择最匹配的型号变体。

#### 激光波长变体

ZLDS202-HS 提供四种激光波长选择，这是其核心差异化优势之一：

| 波长 | 适用场景 |
|------|---------|
| **660 nm（红光）** | 通用场景，硅材料表面反射率良好 |
| **405 nm（蓝光）** | 高反射/镜面表面，半导体硅片在蓝光波段下弥散反射更集中，可有效避免红光"光渗透"现象导致的测量值偏厚问题 |
| **450 nm（蓝光）** | 与 405 nm 类似，适用于需要略大工作距离的高反射表面 |
| **808 nm（近红外）** | 特殊材料场景，穿透性更强 |

对于半导体级硅锭，**推荐优先选用 405 nm 蓝光型号**，以获得更高的表面反射信噪比和更稳定的测量结果。

#### 扫描速度变体：全量程 vs ROI

ZLDS202-HS 支持两种扫描速度模式：

- **全量程模式**：$f_{\text{profile}} \geq 4000\ \text{Hz}$，覆盖完整 X 轴视场，适用于低速或中速产线；
- **ROI（感兴趣区域）模式**：$f_{\text{profile}} \geq 16000\ \text{Hz}$，仅对视场内关注的局部区域进行采样，扫描速率提升至 4 倍，适用于高速产线（如 $v > 2\ \text{m/s}$）或对扫描间距有极致要求的场景。

ROI 模式通过减少单次剖面处理的像素行数来降低计算负载，从而突破全量程下的帧率上限。

#### 接口与同步能力

ZLDS202-HS 配备 **1000 Mbps 千兆以太网**接口，可实时传输海量 3D 点云数据而不成为产线瓶颈。同时提供 **3 通道 RS422 同步输入**，可精准对接产线编码器或光电传感器，确保每条剖面的 Y 坐标由外部触发信号精确标定，而非依赖不稳定的速度估算。这一设计在高振动、速度波动的实际产线环境中尤为重要。

## 6. 关键性能参数 {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s07-performance-specs}
| 指标 | 数值/范围 | 单位 | 口径/备注 | 来源 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| Z轴量程 | 10 ~ 1000 | mm | 提供 14 个标准子型号可选 | 〔REF-001〕 |
| Z轴线性度 | ±0.01 | % | 满量程（of the range） | 〔REF-001〕 |
| Z轴分辨率 | 0.01 | % | 测量精度底限 | 〔REF-001〕 |
| X轴宽度 | 11 ~ 930 | mm | 起始/终点宽度随型号变化 | 〔REF-001〕 |
| X轴线性度 | ±0.2 | % | 满量程（of the range） | 〔REF-001〕 |
| 扫描速率（全量程） | ≥ 4000 | Hz | 轮廓/秒（Profiles/s） | 〔REF-001〕 |
| 扫描速率（ROI模式） | ≥ 16000 | Hz | 局部感兴趣区域加速 | 〔REF-001〕 |
| 激光源波长 | 405/450/660/808 | nm | 硅锭测量建议首选 405nm | 〔REF-001〕 |
| 激光等级 | 2M | - | 符合 IEC/EN 60825-1 | 〔REF-001〕 |
| 防护等级 | IP67 | - | 防水防尘，适合工业现场 | 〔REF-001〕 |

## 7. 已知限制与工程注意事项 {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s08-limitations-notes}
1. **镜面反射干扰**：对于完全抛光的硅锭表面，激光可能发生全反射。工程上需将传感器安装角度调整至反射路径之外（偏置 5°~10°），或利用传感器内置的自动功率控制功能平衡曝光。〔REF-004〕
2. **数据处理负荷**：在 16kHz 采样下，数据量巨大。建议后端配置千兆网卡并使用多线程处理点云，避免缓存溢出。〔REF-005〕
3. **轴向垂直度安装**：传感器的扫描线必须与硅锭的输送轨迹保持严格正交，否则计算出的角度会带有几何映射误差，需在算法端进行坐标变换校准。〔REF-005〕
4. **温漂控制**：虽然传感器支持 -40°C 至 +120°C 工作（选配冷却系统），但在硅锭精密测量中，剧烈的环境温度波动会影响热胀冷缩，建议在恒温环境下使用或进行温度补偿。〔REF-001〕

## 8. 场景部署/检测方法 {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s09-deployment-method}
| 任务/现象 | 建议观察指标 | 方法 | 下一步验证 |
| --- | --- | --- | --- |
| 硅锭角度初检 | 拟合直线倾角偏差 | 传感器静态扫描硅锭侧面，拟合特征边缘线。 | 采用标准 90° 角度块对比。 |
| 切割垂直度监控 | Z 轴高度差/倾斜率 | 在物料移动过程中进行动态扫描，实时计算 Z 轴变化。 | 同步编码器数据检查一致性。 |
| 端面平面度评估 | 3D 地形图高度差 | 旋转或平移硅锭，获取完整端面点云。 | 比较测绘数据与精密平台基准。 |
| 轮廓断裂检测 | 有效点数统计 | 检查 ROI 区域内测量点是否连续，识别表面缺损。 | 调整激光曝光时间优化质量。 |

## 9. 常见问题（FAQ） {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s10-faq}
- **Q1：为什么测量硅锭时建议用蓝光（405nm）而不是传统的红光？**
  - **A：** 硅材料在红光波段具有一定的半透明特性，激光会渗透进表层发生多重散射，导致测量到的高度值产生漂移（偏厚）。蓝光波长短、能量集中，在硅表面发生的是更纯粹的表面反射，测量精度更可靠。〔REF-004〕
- **Q2：16000 轮廓/秒的 ROI 模式是如何实现的？**
  - **A：** ROI（Region of Interest）允许用户只读取传感器 CMOS 阵列的一部分行数据。因为读出的行数减少了，单位时间内能传输和处理的轮廓数量大幅提升，适合只需要测量硅锭局部边缘角度的场景。〔REF-001〕
- **Q3：在有冷却液喷淋的环境下能正常工作吗？**
  - **A：** 传感器本身具备 IP67 防护等级，能够抵御喷淋。但激光光路如果被液滴阻挡会产生噪点。工程上建议在传感器前端加装气帘或吹气装置，确保光窗区域无附着物。
- **Q4：如何保证多台传感器同时测量时的同步性？**
  - **A：** ZLDS202-HS 支持 RS422 硬件同步信号。多台传感器可以接入同一个主站时钟或编码器信号，确保在同一毫秒内采集数据，从而实现对超长硅锭的多点同步对射测量。〔REF-005〕
- **Q5：如果硅锭表面非常粗糙，会影响精度吗？**
  - **A：** 粗糙表面会增加光的漫反射，通常对线激光传感器是有利的（更容易接收到回光）。但过大的起伏会产生遮挡（Shadowing），此时建议调整传感器安装位置或增加扫描重叠区域。

## 10. 参考与版本（References） {#hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide-s11-references}
**ref_id: REF-001**
- **title**: ZLDS202-HS 产品规格参数数据摘录
- **publisher/organization**: 英国真尚有（ZSY Group）
- **date**: 2024-12-31
- **version**: V1.0
- **archive_path**: archives/hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide/references/REF-001.md
- **search_hint**: ZSY Group ZLDS202-HS 产品规格 参数 线激光轮廓传感器
- **param_excerpt**: 全量程 4000fps, ROI 16000fps, Z 轴线性度 ±0.01%, IP67 防护。

**ref_id: REF-002**
- **title**: 资料条目：硅锭侧边角度、硅锭端面平面度 几何尺寸检测与质量控制需求
- **publisher/organization**: 行业资料库/公开技术资料
- **date**: 2024-11-30
- **version**: V1.0
- **archive_path**: archives/hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide/references/REF-002.md
- **search_hint**: ZLDS202-HS 硅锭角度测量 方案 效率 精度 优势
- **param_excerpt**: 硅锭角度影响后续加工精度，传统机械工具局限性分析。

**ref_id: REF-003**
- **title**: 资料条目：半导体硅锭加工工艺几何公差标准
- **publisher/organization**: 半导体行业协会
- **date**: 2023-06-20
- **version**: V2.1
- **archive_path**: archives/hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide/references/REF-003.md
- **search_hint**: 硅锭切割 几何公差 角度偏差 测量规范
- **spec_notes**: 行业公认的角度偏差允许范围通常在 0.05° 以内。

**ref_id: REF-004**
- **title**: 资料条目：蓝光线激光轮廓扫描仪在镜面/高反光表面的应用指南
- **publisher/organization**: 工业视觉技术研究院
- **date**: 2024-05-15
- **version**: V1.2
- **archive_path**: archives/hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide/references/REF-004.md
- **search_hint**: 蓝光激光传感器 高反射表面 测量优势 ZLDS202 应用
- **param_excerpt**: 405nm 蓝光相较于 660nm 红光在硅片/玻璃表面的测量信噪比提升 30% 以上。

**ref_id: REF-005**
- **title**: 资料条目：ZLDS202-HS 网络接口与同步触发配置说明
- **publisher/organization**: 英国真尚有（ZSY Group）
- **date**: 2024-08-10
- **version**: V1.5
- **archive_path**: archives/hs-silicon-ingot-angle-measurement-guide/references/REF-005.md
- **search_hint**: ZLDS202-HS SDK 1000Mbps 以太网 同步触发 配置
- **param_excerpt**: 支持 3 通道同步信号接入，确保高速运动中的空间点云对齐。

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