纳米级三维形貌测量 白光干涉显微镜

全面解读白光干涉技术如何实现纳米级三维形貌测量

白光干涉测量技术（WLI）主要用于对各种物体表面三维形貌进行纳米级精度的测量，其以宽带光源为核心，经分光形成测量与参考光路，借光程差调控产生干涉条纹，结合轴向扫描与包络峰值算法实现高精度测量，在精密加工、半导体与微电子行业、精密光学行业、材料科学行业等中得到了广泛应用。

白光干涉技术工作原理

白光干涉技术的理论基础是光的干涉现象，但其独特之处在于使用了宽带光源，与激光的单色性不同，白光的光谱较宽，包含了各个波长的单色光波段。当白光进入干涉物镜后，被分光镜分为两路：一路射向待测样品表面（测量光臂），另一路进入内部的参考镜（参考光臂）。两路光反射回来后重新汇合，发生干涉。

白光干涉显微镜工作原理示意图

在光程差为零的位置附近，各个波长的条纹信号都为波峰，彼此加成，形成最明亮的干涉条纹级，称为零级条纹，并且零光程差点处的光强信号最大。随着光程差递增，不同波长的单色光干涉慢慢错开，抵消的部分逐渐变多，叠加的部分逐渐变少，使得总的条纹光强信号量逐渐降低直至趋于水平不再变化，此时，干涉条纹完全消失。

白光干涉信号曲线

在测量时，物镜或样品台会进行精密的轴向（Z方向）扫描。探测器会同时采集到各个高度的干涉条纹图，对单个像素的光强信号进行提取，就可以获得如图所示的干涉条纹曲线，曲线的峰值位置即为该点的相应高度。

白光测量原理

通过精确计算得到区域中每个像素点处于零级干涉条纹时所在的位置，从而还原出样品的的三维形貌图。

白光干涉显微镜的核心部件-干涉物镜

白光干涉显微镜的性能很大程度上取决于其核心部件—干涉物镜。它是在无限远校正的明场物镜基础上，集成了分光镜和参考镜的干涉系统。典型的干涉物镜装置主要分为以下三种类型：

迈克尔逊物镜：显微物镜出射的光经过分光棱镜后，一部分会聚到参考平面，形成参考光路；另一部分会聚到待测样品上，两束光在返回时发生干涉。

米劳物镜：显微物镜出射的光线入射到分光片表面后，一部分被反射回参考镜表面并经参考镜中心高反膜沿原路返回至光路中作为参考光；另一路入射光透过分光镜会聚在待测样品表面，经待测样品表面反射回光路，两束光相遇发生干涉。

林尼克物镜：光束先经过立方体分光棱镜分光，再分别经过两个完全相同的物镜分别聚焦在参考面和待测物体上，两束返回光形成干涉。

（a）迈克尔逊物镜；（b）米劳物镜；（c）林尼克物镜

白光干涉显微镜测量流程

白光干涉显微镜的操作非常简便，无需复杂的样品制备。其基本流程如下：

放置与粗调：将样品置于物镜下方，如同操作普通光学显微镜一样，通过垂直移动初步找到样品表面。

寻找扫描范围：通过手动或自动方式，确定待测表面的最高点和最低点，确保覆盖整个起伏范围。

自动扫描与数据采集：实际测量时，系统驱动物镜或者样品沿Z轴方向进行精密移动，每隔固定的距离探测器同时采集各个高度的干涉条纹图片，直到设置的扫描范围结束。

数据分析与重建：通过对干涉图片进行处理分析，提取出每个像素干涉曲线中信号最强的位置，从而重建出高精度的三维表面形貌数据。

光刻样品的三维形貌

白光干涉显微镜核心应用场景

白光干涉显微镜的应用围绕着对样品表面的三维形貌、粗糙度、台阶高度、平整度等参数的精准测量。

半导体与微电子制造

晶圆与芯片检测：测量化学机械抛光后的晶圆表面粗糙度、刻蚀工艺产生的台阶高度、薄膜厚度（如果透明）以及图形化结构的尺寸（如线宽、深度）。

MEMS（微机电系统）：理想用于测量微齿轮、微弹簧、加速度计等MEMS器件的三维形貌、运动结构的静态高度差以及残余应力引起的翘曲。由于其非接触性，不会对微小结构造成损伤。

封装与键合：检测焊球的高度、共面性，以及芯片与基板键合后的平面度和间隙。

透明薄膜测量：通过分析来自薄膜上下表面的反射光产生的干涉信号，可以精确测量透明薄膜的厚度。如测量光刻胶层、手机屏幕保护图层等。

MEMS芯片表面三维形貌和粗糙度测量图

精密加工与机械工程

表面粗糙度分析：替代接触式轮廓仪，对发动机缸体、轴承、齿轮、液压元件等关键零部件的表面进行快速、非破坏性的粗糙度测量。

缺陷分析：定量分析划痕、凹坑、磨损痕迹的深度、宽度和体积，为失效分析提供数据支持。

涂层与镀层：测量涂层的厚度、涂层均匀性、分析涂层本身的粗糙度等，确保发挥其预期的特殊功能。

铸造件和钣金件表面三维形貌测量图

精密光学行业

光学元件的面型分析：测量透镜、棱镜、反射镜等元件的表面形状和面形精度。

光学元件表面粗糙度与缺陷检测：用来检测表面粗糙度、划痕的深度和宽度等以及抛光工艺留下的纹理等

薄膜厚度与均匀性：用来测量光学元件上镀膜的磨蹭厚度和均匀性

微光学元件的表征：适用于测量微透镜阵列、衍射光学元件、菲涅尔透镜的曲率半径、矢高和轮廓形状。

反射镜表面划痕和微透镜阵列表面三维形貌测量图

材料科学

新材料表征：评估不同制备工艺（如溅射、CVD、3D打印）下材料表面的粗糙度、颗粒度、孔隙率。

摩擦学与磨损测试：在可控的摩擦磨损实验前后，对材料表面进行三维形貌测量，量化磨损量。

表面处理效果评估：比较抛光、喷砂、蚀刻等处理前后的表面形貌变化。

微流道高度和宽度测量结果数据

MV-1000神影系列 3D显微镜

MV-1000神影系列 3D显微镜结合白光干涉、景深融合、共聚焦和明场观察等不同观察模式，依靠高精度扫描和算法，可完成从超光滑到粗糙、从低反射率到高反射率、从纳米级到毫米级尺度的物体表面形貌分析。

设备测量包含粗糙度、台阶高度、面形轮廓和曲率等多种参数，结合托托自研的三维表面形貌分析软件，可实现快速高质量的数据可视化输出，为研究人员提升科研效率与数据分析的可靠性。

白光干涉技术巧妙地将传统显微镜的成像能力与光学干涉的极高精度相结合，成为一种功能强大、应用广泛的三维表面计量工具。它不仅提供了无与伦比的垂直分辨率，还能适应从光滑到粗糙、从微小到庞大、从单一材料到复杂结构的各种测量挑战。随着自动化、算法优化和标准化（如ISO 25178-604中的相干扫描干涉法CSI）的不断发展，白光干涉技术必将在高端制造和质量控制领域持续发挥其不可替代的核心作用。

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