掃描白光干涉術(shù)（SWLI）是目前最精確的表面形貌測(cè)量技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與科研領(lǐng)域。從發(fā)明至今的三十余年間，在精密光學(xué)、半導(dǎo)體、汽車及航天等先進(jìn)制造領(lǐng)域的需求牽引下，該技術(shù)不斷取得新的進(jìn)展與突破。本文將詳細(xì)介紹SWLI技術(shù)的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及其在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，探討美能光子灣如何通過其技術(shù)革新引領(lǐng)行業(yè)進(jìn)步。

Part.01

掃描白光干涉技術(shù)（SWLI）

掃描白光干涉技術(shù)（scanning white light interferometry，SWLI）是用于測(cè)量材料表面形貌最精確的技術(shù)之一，屬于反射式干涉顯微術(shù)的一種類型。

還有許多其他技術(shù)和掃描白光干涉技術(shù)擁有相同或相似的工作原理，例如相干雷達(dá)(coherence radar)，垂直掃描干涉術(shù)(vertical scanning interferometry)，白光相移干涉術(shù)(white light phase shifting interferometry)，全視場(chǎng)時(shí)域光學(xué)相干層析術(shù)(full-field time-domain optical coherence tomography)以及相干掃描干涉術(shù)(coherence scanning interferometry，CSl)。

其中，CSI被ISO-25178標(biāo)準(zhǔn)推薦作為白光干涉這類技術(shù)在表面測(cè)量學(xué)領(lǐng)域的術(shù)語。

Part.02

相干掃描干涉測(cè)量技術(shù)（CSl）

相干掃描干涉測(cè)量技術(shù)（CSl）是工業(yè)材料表面形貌測(cè)量中精度最高的技術(shù)之一。CSI是一種反射模式干涉顯微鏡，通過成像物鏡的焦平面沿光軸掃描物體，可以獲得三維（3D）圖像作為二維（2D）圖像的疊加。

左圖：典型CSI系統(tǒng)模式；右圖：軸向掃描獲得的三維圖像疊加和典型CSI信號(hào)記錄

除了機(jī)械掃描操作，CSI和傳統(tǒng)寬視場(chǎng)顯微鏡的一個(gè)主要區(qū)別是CSI采用了一個(gè)干涉物鏡，通常有一個(gè)內(nèi)置的Mirau或Michelson。

Michelson物鏡主要用于低數(shù)值孔徑（NA），低倍率系統(tǒng)（10倍及以下），而Mirau物鏡在更高的NA和更高的倍率（10倍至100倍）下更有用。

這也是掃描白光干涉術(shù)的一個(gè)鮮明技術(shù)特點(diǎn)：橫向分辨率與縱向測(cè)量精度的相對(duì)獨(dú)立性。

此外，CSI的另一個(gè)特點(diǎn)在于：與激光移相干涉法(PSI)不同。

因?yàn)樗褂?strong>寬帶光源，例如發(fā)光二極管(LED)或鹵素光源。這類光源的相干長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于激光光源的相干長(zhǎng)度。

當(dāng)通過CSI系統(tǒng)的焦點(diǎn)掃描一個(gè)表面時(shí)，干涉條紋只會(huì)在表面周圍幾微米的(軸向)窗口內(nèi)形成，對(duì)應(yīng)于干涉儀的零光程長(zhǎng)度差。該窗口的軸向尺寸(即相干包絡(luò))與相干長(zhǎng)度相關(guān)，相干長(zhǎng)度由照明的時(shí)間和空間相干度決定。這種現(xiàn)象也被稱為“低相干干涉”。

低相干干涉測(cè)量原理圖

因此，掃描白光干涉儀的干涉信號(hào)被快速衰減的相干包絡(luò)調(diào)制，僅在探測(cè)光和參考光的光程差接近零時(shí)出現(xiàn)。通過判斷相干包絡(luò)峰值的位置，可以在亞微米級(jí)不確定度范圍內(nèi)計(jì)算出待測(cè)表面的高度。如果結(jié)合條紋的相位信息，可以把表面高度測(cè)量不確定度降低至亞納米量級(jí)。值得注意的是，相干包絡(luò)的形狀并不是只由光源光譜決定的，也取決于成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(NA)及空間相干度。

掃描白光干涉術(shù)中相干包絡(luò)的峰值位置可以用于確定條紋級(jí)次，找出零級(jí)條紋，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離的測(cè)量，既可以避免使用相位解包裹技術(shù)，又可以消除激光干涉術(shù)中常見的2π混淆(2π ambiguity)現(xiàn)象。

這一特性賦予了掃描白光干涉術(shù)大跨度的應(yīng)用場(chǎng)景，包括測(cè)量平整光滑的表面、含有臺(tái)階和斷層的表面、粗糙表面以及具有復(fù)雜曲率和斜率變化的表面。已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光學(xué)、汽車、航空航天、醫(yī)療設(shè)備和能源等制造領(lǐng)域。

應(yīng)用.01

表面紋理參數(shù)表征

掃描白光干涉技術(shù)結(jié)合正弦調(diào)制移相技術(shù)可以提高信噪比(SNR)，并將噪聲密度降低到0.1nm/根號(hào)下Hz水平，適用于測(cè)量超光滑表面的粗糙度。測(cè)量的表面類型多種多樣，從測(cè)量得到的表面形貌圖可以計(jì)算分析表面微觀紋理的參數(shù)，例如表征標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的316不銹鋼的表面紋理、測(cè)量渦輪機(jī)葉片表面形貌、檢測(cè)毛玻璃表面質(zhì)量和亞表面缺陷。

表面粗糙度測(cè)量

應(yīng)用.02

高斜率表面測(cè)量

當(dāng)待測(cè)表面是完美鏡面時(shí)，如果其傾斜角度β大于arcsin(NA)，則反射光線將超出物鏡可接受的圓錐范圍（如下圖所示），這種情況下掃描白光干涉儀可以測(cè)到的最大表面斜率由物鏡NA決定。

掃描白光干涉儀測(cè)量?jī)A斜鏡面的NA圓錐極限，（a）傾斜角度為0°；（b）傾斜角度β大于θ

隨著技術(shù)進(jìn)步，最先進(jìn)的掃描白光干涉儀能夠測(cè)量斜率超出傳統(tǒng)NA圓錐極限的非鏡面表面，這是因?yàn)槲镧R收集了來自傾斜表面微觀紋理的背向散射光，并通過高動(dòng)態(tài)范圍(high dynamic range,HDR)測(cè)量技術(shù)或信號(hào)過采樣技術(shù)提高散射信號(hào)的信噪比，獲得足以重構(gòu)表面的干涉條紋。

3D臺(tái)階高度測(cè)量

應(yīng)用.03

增材制造表面測(cè)量

表面形貌可以看作是增材制造工藝流程的“指紋”特征。通過研究金屬粉末床熔合(powder bedfusion，PBF)工藝中的焊接軌跡、焊接波紋、附著顆粒和表面凹陷等表面紋理特征，可以提取有用的信息來優(yōu)化增材制造工藝，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量并減少能源和材料的消耗。但是，增材制造的表面形貌通常非常復(fù)雜，包含大量局部高斜率和松散顆粒狀的表面結(jié)構(gòu)。無論是接觸式還是非接觸式方法，精確測(cè)量增材制造表面是一項(xiàng)非常挑戰(zhàn)的任務(wù)。使用掃描白光干涉儀可以測(cè)量出增材制造表面。

通過掃描白光干涉儀測(cè)量的增材制造表面示例。(a)PBF AI-Si-10Mg樣品實(shí)物圖(來自諾丁漢大學(xué)Helia Hooshmand博士)；(b)激光PBF A1-Si-10Mg樣品表面；(c)激光PBF Ti-6A1-4V樣品表面:(d)電子束PBF Ti-6A1-4V樣品表面

應(yīng)用.04

膜層測(cè)量

很多材料表面覆蓋有功能型膜層，例如光學(xué)元件表面的增透和增反膜，以及金屬表面的陶瓷保護(hù)膜。通常，膜層上表面與空氣接觸，其折射率差異能夠產(chǎn)生足夠清晰的干涉條紋。膜層的下表面與襯底材料接觸，二者折射率差異決定了白光干涉條紋的對(duì)比度。測(cè)量亞表面界面還需要儀器具有足夠高的光學(xué)層析能力，一般來說，這種層析能力主要取決于白光干涉儀相干包絡(luò)的寬度。

研究表明，掃描白光干涉儀適用于測(cè)量透明或半透明的膜層，例如二氧化硅單層膜上下表面的形貌和厚度、硅晶圓上的膜層、透明軟質(zhì)光刻膠薄膜、半透明粗糙羥基磷灰石層、氧化鈦和氧化鋯等導(dǎo)電氧化物薄膜、薄膜光伏材料、硅材料上的碳和陶瓷涂層、多層薄膜、結(jié)品高分子薄膜以及具有復(fù)雜形貌金屬表面的陶瓷膜層。

(A)74.9nm SiNx薄膜，RMS粗糙度為1.51nm；(b)97.4nm SiCNy薄膜，RMS粗糙度為1.78nm

Photonx Bay

美能光子灣白光干涉輪廓儀

美能光子灣白光干涉輪廓儀可以簡(jiǎn)單快速地非接觸測(cè)量從粗糙到超光滑，包括薄膜、陡坡和大臺(tái)階等各種表面的2D和3D特征。針對(duì)各行業(yè)高精度，高可靠性及重復(fù)性計(jì)量需求，提供計(jì)量解決方案。

掃描白光干涉技術(shù)以其卓越的測(cè)量精度和廣泛的應(yīng)用范圍，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)和科研中不可或缺的技術(shù)之一。從超光滑表面的粗糙度測(cè)量到增材制造表面的復(fù)雜形貌分析，再到膜層厚度的精確測(cè)定，SWLI技術(shù)展現(xiàn)了其在精密測(cè)量領(lǐng)域的強(qiáng)大潛力。美能光子灣白光干涉輪廓儀將繼續(xù)在高精度測(cè)量領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色，為未來的技術(shù)革新和應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也為工業(yè)和科研的發(fā)展貢獻(xiàn)著重要的力量。, 喬瀟悅, 簡(jiǎn)振雄, 張政, 溫榮賢, 陳成, 任明俊, 朱利民. 用于表面形貌測(cè)量的掃描白光干涉技術(shù)進(jìn)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2023, 60(3): 0312005. Rong Su, Jiayu Liu, Xiaoyue Qiao, Zhenxiong Jian, Zheng Zhang, Rongxian Wen, Cheng Chen, Mingjun Ren, Limin Zhu. Advances in Scanning White Light Interferometry for Surface Topography Measurement[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(3): 0312005.蘇榕, 劉嘉宇, 喬瀟悅, 簡(jiǎn)振雄, 張政, 溫榮賢, 陳成, 任明俊, 朱利民. 用于表面形貌測(cè)量的掃描白光干涉技術(shù)進(jìn)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2023, 60(3): 0312005. Rong Su, Jiayu Liu, Xiaoyue Qiao, Zhenxiong Jian, Zheng Zhang, Rongxian Wen, Cheng Chen, Mingjun Ren, Limin Zhu. Advances in Scanning White Light Interferometry for Surface Topography Measurement[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(3): 0312005.蘇榕, 劉嘉宇, 喬瀟悅, 簡(jiǎn)振雄, 張政, 溫榮賢, 陳成, 任明俊, 朱利民. 用于表面形貌測(cè)量的掃描白光干涉技術(shù)進(jìn)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2023, 60(3): 0312005. Rong Su, Jiayu Liu, Xiaoyue Qiao, Zhenxiong Jian, Zheng Zhang, Rongxian Wen, Cheng Chen, Mingjun Ren, Limin Zhu. Advances in Scanning White Light Interferometry for Surface Topography Measurement[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(3): 0312005.*特別聲明：本公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問題，敬請(qǐng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間核實(shí)并處理。