学术研究报告：基于色差共焦传感器的多层透明板厚度测量新方法

一、研究团队与发表信息
本研究由浙江大学机械工程系的Tiancheng Liu、Yutong Hong、Jiajun Wu、Wule Zhu和Bingfeng Ju合作完成，发表于期刊*Nanomanufacturing and Metrology*（2024年7卷22期）。

二、学术背景与研究目标
多层透明板（如光学透镜、电极、太阳能电池板）的厚度和均匀性直接影响产品性能，但传统接触式测量方法（如原子力显微镜AFM、透射电子显微镜TEM）存在精度不足和损伤样本的风险。非接触式方法（如光谱椭偏仪SE）依赖复杂建模，且难以应对多层结构（尤其是18层以上）的测量需求。为此，本研究提出一种基于色差共焦传感器（chromatic confocal sensor）的新型非接触测量技术，旨在实现多层透明板厚度的快速、高精度、无损测量。

三、研究流程与方法
1. 理论模型构建
- 单层模型：基于斯涅尔定律（Snell’s law）和几何光学，推导单层透明板厚度公式（公式4），其中通过色差共焦探头测量光斑轴向距离（δ）与折射角（θ₁）的关系。
- 多层扩展模型：考虑多层介质折射率差异，建立迭代公式（公式7），通过逐层计算厚度（dᵢ）并引入修正因子（kₙ）补偿光学路径偏差。

1. 实验系统搭建

   • 硬件配置：采用C1200型色差共焦探头（Tronsight Ltd.）、多模光纤、旋转台（Daheng Optics GCM-1107M）及Z轴运动平台，构建非接触测量系统（图4）。
     
   • 样本制备：设计五层透明样本（3层石英板+2层空气层，图5），通过紫外胶固定，确保层间几何中心对齐。实际厚度通过超景深显微镜（Keyence VHX-600，亚微米精度）标定（图7）。
     

2. 校准与测量

   • 垂直校准：调整探头与样本垂直度，确保光谱信号峰值在探头范围内。
     
   • 修正因子获取：测量9组单层石英板厚度，通过对比显微镜标定值，确定修正系数0.8808（图8）。
     
   • 多层测量：在样本边缘8个点位采集数据，每点10次重复测量，计算均值及方差（表1显示最大方差1.31 μm²）。
     

3. 几何状态建模

   • 基于厚度数据拟合五层样本的三维模型（图11），评估各层平行度与平面度（图12）。例如，第三层上下表面平均夹角0.258°，第五层平均曲率-5.519e-08 μm⁻¹。
     

四、主要结果
1. 测量精度：五层厚度最大绝对误差13 μm，石英层相对误差≤4.27%，空气层经二次修正后误差降至5%-10%（图9、图10）。
2. 稳定性验证：测量方差<1.05 μm²，证明操作波动影响可控（表1）。
3. 多层扩展能力：理论可测18层（单层最小厚度0.064 mm，传感器范围1.154 mm），实际五层实验验证了方法的鲁棒性。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次将色差共焦技术扩展至多层透明板测量，解决了折射率差异和超薄空气层导致的误差累积问题。
2. 应用价值：适用于半导体、电池、太阳能电池等工业场景，支持在线无损检测，理论测量层数远超现有光学相干断层扫描（OCT）技术。
3. 创新性：提出迭代修正模型，结合工程校准（如空气层修正因子1.09097），平衡理论精度与实际操作需求。

六、研究亮点
1. 提出基于色差共焦原理的多层厚度测量新方法，突破传统单层测量限制。
2. 制备五层石英-空气样本并实测各层折射率，验证方法可行性。
3. 单次测量即可获取各层厚度，结合多点测量评估平面度与平行度。

七、其他发现
研究指出，色散效应（550-650 nm波段石英折射率变化0.0058）对结果影响可忽略，主要误差来源为探头垂直度偏差及修正系数有限样本量。未来可通过优化探头设计或增加校准样本提升精度。

资助信息：浙江省自然科学基金（LDT23E05012E05）、国家自然科学基金（52175439）等支持。