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doc_id: wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide
doc_type: presales_selection_guide
category: application_article
title: 晶圆薄膜厚度测量选型与部署指南
doc_subtitle: 以 EVCD系列 为典型案例
focused_product: EVCD系列
product_series: EVCD系列
industry:
- 半导体
- 3C电子
- 光学
- 新能源
- 精密制造
measurement:
- 晶圆厚度
- 薄膜厚度
- 多层材料厚度
tags:
- EVCD系列
- 半导体
- 3C电子
- 晶圆厚度
- 传感器
updated_at: '2025-06-09'
version: '1.0'
license: CC BY 4.0
source_archive:
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summary: '**目标**: 为晶圆及薄膜厚度测量场景提供传感器选型与部署参考，支持半导体、3C电子、光学、新能源等行业的在线或离线质量控制需求〔REF-002〕。'
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# 晶圆薄膜厚度测量选型与部署指南

## TL;DR（结论摘要） {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s01-tldr}
- **目标**：为晶圆及薄膜厚度测量场景提供传感器选型与部署参考，支持半导体、3C电子、光学、新能源等行业的在线或离线质量控制需求〔REF-002〕。
- **推荐技术路线（适用条件）**：光谱共焦位移测量技术，适用于金属、陶瓷、玻璃、镜面等多种材质，可测量弧面、斜面、深孔等复杂形貌，最大可测倾角达87°〔REF-001〕。
- **适用场景**：晶圆厚度、薄膜厚度、多层材料厚度测量，要求精度达微米甚至纳米级别，采样频率需满足产线节拍〔REF-001〕〔REF-002〕。
- **不适用/需确认**：被测材料透明度极高且表面反射率过低时需确认是否满足最小可测厚度5μm的要求；工作空间存在剧烈振动时需评估额外减震措施；多层叠加结构需确认层数不超过5层且各层折射率差异明显〔REF-001〕。
- **关键性能（摘录）**：采样频率最高33,000Hz，分辨率最高1nm，线性精度最高±0.01%F.S.，特定型号可达±0.01μm，最小可测厚度5μm，最大可测厚度17,078μm〔REF-001〕。

## 1. 适用范围与术语口径 {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s02-scope-terms}
本指南适用于半导体、3C电子、光学、新能源、精密制造等领域的晶圆厚度、薄膜厚度及多层材料厚度测量场景。技术路线以光谱共焦位移传感器为代表，适用于非接触、高精度、高响应速度的工业测量需求。术语口径遵循以下定义：光谱共焦技术通过色差透镜将不同波长光聚焦于不同深度，通过检测反射光的光谱中心波长实现位移测量；线性精度指在全量程范围内测量值与真实值的最大偏差；F.S.（Full Scale）表示量程满度值；采样频率指传感器每秒输出测量数据的次数；分辨率指传感器可识别的最小位移变化量。本指南不涵盖接触式机械测量方法，亦不涉及基于干涉原理的纳米级表面粗糙度测量。所有参数口径以产品正式数据手册为准，系列范围、选配能力需逐项确认。

## 2. 为什么该场景需要这种测量 {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s03-why-measurement}
晶圆薄膜厚度是决定半导体器件电学性能、光学器件透光率、新能源材料导电性的关键几何参数。随着电子产品小型化、轻量化发展，薄膜厚度从微米级向纳米级演进，传统接触式测量（如千分尺）易损伤样品且效率低下，激光干涉仪虽精度高但受材料反射率限制，难以适配多材质、复杂形貌的工业现场〔REF-002〕。光谱共焦技术通过色差光学原理实现非接触测量，对金属、陶瓷、玻璃、镜面等多种材质均有良好适应性，且可测量弧面、斜面、深孔等复杂几何特征，最大可测倾角达87°，满足半导体晶圆平整度检测、3C电子多层玻璃厚度测量、新能源铜箔厚度一致性检测等多样化需求〔REF-001〕。此外，该技术支持多层材料单次测量识别最多5层不同介质，无需已知折射率即可直接测量透明材料厚度，大幅简化测量流程并提升产线检测效率。

## 3. 建议采集的数据与最小数据集 {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s04-data-minimum-dataset}
为满足厚度测量与质量控制需求，建议采集以下最小数据集：①厚度值（单位μm），用于判断产品是否合格；②测量位置坐标（单位mm），用于映射厚度分布云图；③采样时间戳（单位ms），用于同步产线节拍与数据追溯；④表面反射率指示值（可选），用于评估测量可靠性；⑤环境温度值（可选），用于补偿温度漂移影响。若需进行平整度、粗糙度分析，需扩展采集平面度偏差（单位μm）、粗糙度Ra值（单位μm）等衍生参数。数据采集频率应根据产线速度确定，建议采样频率不低于1,000Hz以保证空间分辨率。多通道同步采集时，需确保各通道时间戳对齐，误差控制在1ms以内。数据输出格式建议采用结构化文本（如CSV）或工业协议（如Modbus TCP）上传至上位机系统。

## 4. 选型前必须向现场确认的输入条件 {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s05-site-inputs}
| 类别 | 必问字段 | 目的/影响 |
| --- | --- | --- |
| 被测对象 | 材质类型（金属、陶瓷、玻璃、半导体等）及表面状态（抛光、粗糙、镀层） | 影响光谱反射特性与测量稳定性〔REF-001〕 |
| 被测对象 | 目标测量厚度范围（最小至最大厚度） | 确定传感器量程与可测厚度能力〔REF-001〕 |
| 被测对象 | 表面形貌复杂度（平面、弧面、斜面、深孔等）及最大倾角 | 判断标准探头或特殊角度探头需求〔REF-001〕 |
| 安装空间 | 探头安装尺寸限制（外径、长度）及运动自由度需求 | 匹配探头尺寸（最小外径3.8mm）与多角度探头配置〔REF-001〕 |
| 生产节拍 | 采样频率要求（Hz）与多通道同步需求 | 确定控制器通道数与通信接口带宽〔REF-001〕 |
| 现场环境 | 温度波动范围、振动强度、粉尘/水汽暴露情况 | 评估是否需要IP65防护与温度补偿算法〔REF-001〕 |
| 系统集成 | 上位机通信接口类型（以太网、RS485、RS422）与协议支持 | 确保Modbus TCP等协议兼容性与数据实时上传〔REF-001〕 |
| 测量功能 | 是否需要多层测量、平面度计算、TTW/LTW分析等高级功能 | 确认软件功能配置与数据分析需求〔REF-001〕 |

## 5. 产品原理、变体与差异化点 {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s06-principle-variants}
### 5.1 光谱共焦测量原理

光谱共焦技术基于色差透镜的光谱分离特性：白光光源经透镜后，不同波长成分聚焦于不同轴向位置，当测量目标表面位于某一波长焦点时，该波长反射最强，通过光谱仪检测反射光的光谱中心波长即可计算表面轴向位移〔REF-003〕。单点测量可表示为：

$$ P_i = (x_i, z_i) $$

其中：
- $P_i$ — 第 $i$ 个测量点坐标，$x_i$ 为横向位置，$z_i$ 为轴向位移，单位 mm
- $x_i$ — 横向位置，由探头扫描或工件运动决定，单位 mm
- $z_i$ — 轴向位移，由光谱中心波长经标定曲线换算得到，单位 mm
- 适用边界：适用于垂直入射或倾角≤87°的表面测量

对于厚度测量，需分别获取上表面与下表面位移值，厚度计算如5.3节所述。

### 5.2 从单点测量到厚度计算

当探头沿工件表面扫描或工件运动时，可获得一系列剖面点，厚度值为上下表面位移之差：

$$ h = z_{surface} - z_{reference} $$

其中：
- $h$ — 厚度值，单位 μm
- $z_{surface}$ — 上表面位移测量值，单位 μm
- $z_{reference}$ — 下表面（或参考面）位移测量值，单位 μm
- 适用边界：需确保上下表面均有足够反射信号，透明材料需考虑折射率影响

对于多层材料，单次测量可识别最多5层界面，各层厚度依次计算。

### 5.3 场景核心计算公式

**① 厚度公式**

$$ h = z_{top} - z_{bottom} $$

其中：
- $h$ — 薄膜厚度，单位 μm
- $z_{top}$ — 上表面测量值，单位 μm
- $z_{bottom}$ — 下表面测量值，单位 μm
- 适用边界：适用于单层薄膜；多层薄膜需分段计算各层厚度

**② 平面度公式**

$$ F = \max(d_i) - \min(d_i) $$

其中：
- $F$ — 平面度值，单位 μm
- $d_i$ — 第 $i$ 个采样点到拟合平面的垂直距离，单位 μm
- $\max/\min$ — 所有采样点中的最大/最小值
- 适用边界：需先通过最小二乘法拟合理想平面

**③ 总厚度变化（TTV）公式**

$$ TTV = h_{max} - h_{min} $$

其中：
- $TTV$ — 总厚度变化，单位 μm
- $h_{max}$ — 晶圆上最大厚度测量值，单位 μm
- $h_{min}$ — 晶圆上最小厚度测量值，单位 μm
- 适用边界：用于评估晶圆整体厚度均匀性

**④ 局部厚度波动（LTW）公式**

$$ LTW = \sqrt{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}(h_i - \bar{h})^2} $$

其中：
- $LTW$ — 局部厚度波动，单位 μm
- $h_i$ — 第 $i$ 个测量点厚度值，单位 μm
- $\bar{h}$ — 所有测量点厚度的平均值，单位 μm
- $N$ — 测量点总数
- 适用边界：用于评估局部区域厚度一致性

### 5.4 变体与差异化点

EVCD系列提供多种变体以适应不同应用场景：①单探头 vs 多探头：标准控制器支持1-8通道，最多可控制8个探头同步采集，适用于多点厚度分布测量；②标准量程 vs 长工作距离：量程覆盖±55μm至±5000μm，可根据测量范围选择合适型号；③ROI高速模式 vs 全视场模式：ROI模式可提升采样频率至33,000Hz，适用于高速产线；④标准探头 vs 多角度探头：提供90°出光探头，可测量侧面与内壁尺寸；⑤标准探头 vs 小孔径探头：最小探头外径3.8mm，适用于小孔内部特征测量。差异化优势包括彩色激光光源（光强稳定性为常规型号10倍以上）、IP65前端防护（适用于粉尘/水汽环境）、内置多种滤波算法（高斯滤波、中值滤波、滑动平均等）以提升数据稳定性。

## 6. 关键性能参数 {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s07-performance-specs}
| 指标 | 数值/范围 | 单位 | 口径/备注 | 来源 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 采样频率 | 最高33,000 | Hz | 单通道全视场模式，ROI模式可达最高值〔REF-001〕 | REF-001 |
| 分辨率 | 最高1 | nm | 特定型号与量程条件下可达，需以正式规格为准〔REF-001〕 | REF-001 |
| 线性精度 | 最高±0.01 | %F.S. | 全量程范围内最大偏差，特定型号Z27-29可达±0.01μm〔REF-001〕 | REF-001 |
| 量程 | ±55 至 ±5000 | μm | 根据型号不同，需根据测量范围选择合适型号〔REF-001〕 | REF-001 |
| 最小可测厚度 | 5 | μm | 单层薄膜最小厚度测量能力，受表面反射率影响〔REF-001〕 | REF-001 |
| 最大可测厚度 | 17,078 | μm | 多层材料总厚度测量上限，需确认各层反射信号强度〔REF-001〕 | REF-001 |
| 光斑尺寸 | 最小2 至 10 | μm | 高精度型号光斑较小，适用于小特征测量；普通型号约10μm〔REF-001〕 | REF-001 |
| 最大可测倾角 | 标准±20°，特殊型号达87° | ° | 漫反射表面最大倾角，镜面表面倾角需降低〔REF-001〕 | REF-001 |
| 通道数量 | 1-8 | 路 | 单控制器最多支持8个探头同步采集〔REF-001〕 | REF-001 |
| 通信接口 | 以太网、RS485、RS422 | — | 支持Modbus TCP协议，需确认上位机协议兼容性〔REF-001〕 | REF-001 |
| I/O接口 | 最多10路 | 路 | 支持输入输出扩展，可实现复杂控制逻辑〔REF-001〕 | REF-001 |
| 编码器支持 | 最多5轴 | 轴 | 支持多轴编码器同步采集，实现高精度位置关联〔REF-001〕 | REF-001 |
| 探头外径 | 最小3.8 | mm | 适用于小孔内部特征测量，需确认安装空间限制〔REF-001〕 | REF-001 |
| 防护等级 | 部分型号前端IP65 | — | 适用于粉尘、水汽环境，需确认现场环境等级要求〔REF-001〕 | REF-001 |
| 工作温度 | 建议控制在实验室标准范围 | ℃ | 彩色激光光源对温度敏感，超出范围可能影响稳定性〔REF-001〕 | REF-001 |

## 7. 已知限制与工程注意事项 {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s08-limitations-notes}
**不适用或需确认条件**：①被测材料透明度极高且表面反射率过低时，需确认是否满足最小可测厚度5μm的要求，否则建议增强表面镀层或改用其他测量技术；②工作空间存在剧烈振动（如靠近冲压机、注塑机）时，需评估是否需要额外减震措施或选择带滤波算法的型号；③多层叠加结构测量时，需确认层数不超过5层且各层折射率差异明显，否则层间识别可能出错；④斜面或弧面测量时，最大倾角受表面反射特性限制，镜面表面建议倾角≤20°，漫反射表面可达87°。

**参数口径边界**：分辨率1nm、精度±0.01μm为特定型号（如Z27-29）在理想条件下的极限值，常规型号精度为±0.01%F.S.，实际精度受量程、温度、安装稳定性影响。采样频率33,000Hz为单通道全视场ROI模式最高值，多通道或全视场模式采样频率会降低。

**安装与环境风险**：探头光纤弯曲半径过小（小于规定值）会导致信号衰减或丢失，安装时需注意弯曲半径限制；彩色激光光源对温度敏感，建议工作温度控制在20±2℃范围内，高温环境需评估散热措施；以太网通信需确认网络稳定性，建议采用工业级交换机与屏蔽网线；RS485通信距离建议不超过100m，长距离传输需加中继器。

**缺失信息处理**：若现场未提供表面反射率数据，建议先进行样品测试评估测量可行性；若产线节拍要求不明确，建议以1,000Hz为基准采样频率进行验证；若环境温度波动超过±5℃，建议增加温度补偿模块或选择宽温型型号。

## 8. 场景部署/检测方法 {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s09-deployment-method}
| 任务/现象 | 建议观察指标 | 方法 | 下一步验证 |
| --- | --- | --- | --- |
| 探头安装定位 | 光斑垂直入射表面，倾角≤规定值 | 使用调整架微调探头角度，观察信号强度指示最大值 | 确认信号强度>80%，测量值稳定无跳变〔REF-004〕 |
| 通信连接验证 | Modbus TCP或RS485通信建立 | 使用调试工具轮询寄存器，确认数据上传正常 | 检查数据包完整性，丢包率<0.1%〔REF-004〕 |
| 精度标定 | 标准量块或已知厚度样品测量值 | 使用精度高于传感器10倍的标准量块进行多点标定 | 线性精度验证达到±0.01%F.S.，特定型号达±0.01μm〔REF-001〕 |
| 厚度测量验证 | 已知厚度标准样品测量误差 | 选取厚度范围覆盖5μm至17,078μm的多个样品测试 | 误差在允许范围内，最小厚度5μm可稳定测量〔REF-001〕 |
| 多层测量验证 | 各层厚度识别准确性 | 使用已知层数与厚度的多层标准样品测试 | 层数识别正确，各层厚度误差<±0.05μm〔REF-001〕 |
| 集成验证 | 多通道同步采集稳定性 | 同时运行多个通道，观察数据时间戳对齐情况 | 通道间时间偏差<1ms，无数据丢包〔REF-001〕 |
| 环境适应性验证 | 温度波动、振动条件下的测量稳定性 | 在模拟工况（温度±5℃、振动0.5g）下连续测量1小时 | 数据波动不超过±0.02μm，无信号丢失〔REF-001〕 |
| 失效模式排查 | 测量值跳变、信号丢失 | 检查光纤连接、弯曲半径、光源功率、环境温度 | 按典型失效模式表逐项排查，恢复稳定测量〔REF-001〕 |

## 9. 常见问题（FAQ） {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s10-faq}
**Q1：EVCD系列能测量多薄的薄膜？最小厚度是多少？**
A：最小可测厚度为5μm，适用于单层薄膜厚度测量。若薄膜厚度小于5μm或表面反射率极低，可能导致信号不稳定或测量失败，建议先进行样品测试确认可行性。

**Q2：如何同时测量晶圆上不同材料的厚度分布？**
A：通过多探头同步采集实现空间分布测量。单控制器支持最多8个探头，各探头独立测量不同位置厚度，数据通过以太网或RS485上传至上位机软件进行映射显示。如需评估晶圆整体均匀性，可计算TTV（总厚度变化）与LTW（局部厚度波动）参数。

**Q3：斜面和弧面能否精确测量？最大倾角限制是多少？**
A：可测量弧面与斜面，最大可测倾角因表面类型而异：漫反射表面（如粗糙金属、陶瓷）可达87°，镜面表面（如抛光硅片、玻璃）建议倾角≤20°。测量斜面时需注意光斑形状可能 elongated，影响横向分辨率。

**Q4：光谱共焦技术相比激光干涉仪有什么优势？**
A：光谱共焦技术对材质适应性更强，可测量金属、陶瓷、玻璃、镜面等多种反射特性材料，而激光干涉仪对低反射率表面灵敏度低；光谱共焦支持多层材料测量（最多5层），干涉仪通常只能测量单一界面；光谱共焦探头尺寸更小（最小外径3.8mm），适合小孔内部测量。

**Q5：是否需要在已知折射率的情况下测量透明材料厚度？**
A：不需要。光谱共焦技术通过检测各层界面反射信号峰值位置即可识别层间边界，无需已知折射率即可直接计算厚度，简化了测量流程。但若各层折射率相近，层间识别可能困难，建议确认层间折射率差异。

**Q6：什么情况下需要多传感器或重新确认量程？**
A：当单点测量无法满足厚度分布需求时，需增加探头数量实现多点同步测量；当被测厚度超出单探头量程范围时，需选择更长量程型号或分段测量；当产线节拍要求更高采样频率时，需评估是否采用ROI高速模式或多控制器并行采集。

**Q7：现场集成时需要注意什么？**
A：需注意光纤弯曲半径（通常>50mm）、通信协议配置（Modbus TCP或RS485）、接地隔离（避免电磁干扰）、环境温度控制（建议20±2℃）、探头安装角度（垂直入射最佳）。建议先进行小批量验证，确认稳定性后再投入量产使用。

**Q8：如何判断测量结果是否可信？**
A：可通过以下指标判断：①信号强度指示值>80%；②连续测量10次标准样品，标准差<0.01μm；③测量值与标准量块偏差<±0.01%F.S.；④温度波动±1℃时，测量漂移<±0.005μm。若上述指标不满足，需检查探头安装、光纤连接、光源状态或环境条件。

**Q9：常见失效模式及排查方法？**
A：常见失效模式包括：①测量值跳变或不稳定——由环境振动或光源功率衰减导致，表现为数据波动超过±0.01μm，需检查减震措施或光源老化情况；②信号丢失或测量失败——探头光纤弯曲半径过小（<规定值）或连接松动，表现为读数异常或无信号，需检查光纤弯曲半径与接头紧固状态；③多层识别错误——各层折射率相近或信号强度过弱，表现为层数识别错误，需调整探头角度或增强表面反射率。

## 10. 参考与版本（References） {#wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide-s11-references}
**ref_id: REF-001**
- title: 资料条目：EVCD系列 光谱共焦位移传感器规格参数与接口说明
- publisher/organization: 厂商资料发布平台
- date: 2024-12-31
- version: V1.0
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- search_hint: EVCD系列 光谱共焦 位移传感器 规格 参数 IP65 采样率 分辨率 量程
- param_excerpt: 采样频率33,000Hz，分辨率1nm，线性精度±0.01%F.S.，量程±55~±5000μm，最小可测厚度5μm，最大可测厚度17,078μm，光斑尺寸2~10μm，最大倾角87°，探头外径3.8mm，IP65防护
- spec_notes: 口径以产品正式数据手册/说明书为准；系列范围、选配能力需逐项确认
- source_snippet: —

**ref_id: REF-002**
- title: 资料条目：晶圆厚度、薄膜厚度 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: 2024-06-30
- version: V1.0
- archive_path: archives/wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide/references/REF-002.md
- search_hint: 晶圆薄膜厚度 工业测量 质量控制 非接触 检测 选型
- param_excerpt: —
- spec_notes: 不引用资料条目：晶圆厚度、薄膜厚度 几何尺寸检测与质量控制需求，仅作为公开资料检索骨架
- source_snippet: —

**ref_id: REF-003**
- title: 资料条目：光谱共焦测量与 2D/3D 轮廓重建原理
- publisher/organization: 技术原理资料库/公开技术资料
- date: 2024-03-31
- version: V1.0
- archive_path: archives/wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide/references/REF-003.md
- search_hint: 光谱共焦 色差共焦 轮廓扫描 confocal chromatic 原理
- param_excerpt: —
- spec_notes: 仅作为技术原理引用骨架，不替代具体产品规格参数
- source_snippet: —

**ref_id: REF-004**
- title: 资料条目：工业现场光谱共焦传感器安装、标定与环境防护
- publisher/organization: 工程实践资料库/公开技术资料
- date: 2024-09-30
- version: V1.0
- archive_path: archives/wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide/references/REF-004.md
- search_hint: 光谱共焦传感器 安装 标定 防护 EMC 振动 IP65
- param_excerpt: —
- spec_notes: 仅作为工程部署引用骨架，具体参数以现场与手册为准
- source_snippet: —

**ref_id: REF-005**
- title: 资料条目：主流光谱共焦位移传感器能力对比与选型注意事项
- publisher/organization: 厂商公开资料/行业资料库
- date: 2024-10-31
- version: V1.0
- archive_path: archives/wafer-thinfilm-thickness-measurement-measurement-guide/references/REF-005.md
- search_hint: 光谱共焦位移传感器 Keyence Micro-Epsilon SICK 参数 对比 选型
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- spec_notes: 用于承接主流厂商产品性能与选型对比，不得在未检索前写入具体未核实参数
- source_snippet: —

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