掃描白光干涉術(shù)的快速發(fā)展，在制造業(yè)與科研領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用中得到了驗證，某種程度上成為了高精度表面形貌測量技術(shù)的標(biāo)桿，尤其在半導(dǎo)體、精密光學(xué)、消費電子等產(chǎn)業(yè)的牽引下,其測量功能和性能得到持續(xù)提升。本期美能光子灣將對掃描白光干涉儀的校準(zhǔn)及誤差補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行展開介紹。

作為一種光學(xué)測量手段，掃描白光干涉術(shù)先天具有高精度、快速、高數(shù)據(jù)密度和非接觸式測量等優(yōu)勢。校準(zhǔn)對于計量級測量儀器來說非常重要，是實現(xiàn)量值溯源的基礎(chǔ)。

Part.01

分辨率與噪聲

橫向分辨率被定義為當(dāng)儀器對表面高度的響應(yīng)下降至50%時所對應(yīng)的測試板空間周期值。

傳統(tǒng)方法中，橫向分辨率是通過測量分辨率測試板來表征的，例如星形測試板，或啁啾相位光柵，這種具有連續(xù)變化的周期性結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)樣品。

利用(a)厚度梯度和(b)寬度梯度產(chǎn)生啁啾光柵的方案

軸向分辨率經(jīng)常被錯誤地用作表面形貌測量儀器的性能評價指標(biāo)，很容易與掃描白光干涉儀的儀器噪聲混淆。如果只關(guān)注物體的外表面，例如100%反射的金屬材料，則軸向上不存在需要分辨的鄰近兩點，此時軸向分辨率的概念對于白光干涉測量基本沒有意義。但在測量薄膜、涂層或亞表面特征時，軸向分辨率是表征光學(xué)層析能力的重要指標(biāo)。

相干性對軸向分辨率的影響。成像系統(tǒng)的參數(shù)為：波長532nm，孔徑（透鏡）直徑25mm，孔徑（透鏡）到像面距離0.2z m

表面形貌測量噪聲是一種隨機(jī)誤差，可以通過重復(fù)性測試來定量表征。通過(多次測量)平均法或(兩次測量)相減法可以從樣品表面形貌測量結(jié)果中分離得到測量噪聲。噪聲密度也是評價儀器性能的一項重要指標(biāo)，它能夠體現(xiàn)表面形貌不相關(guān)數(shù)據(jù)點數(shù)量及測量耗時對測量精度的影響，同時關(guān)注掃描白光干涉儀的噪聲和噪聲密度有利于更全面地了解儀器測量能力。

儀器噪聲是指最佳測量條件下的測量噪聲。通常掃描白光干涉術(shù)的儀器噪聲是通過測量一個垂直于光軸放置的光學(xué)平面來評估的。相機(jī)散粒噪聲是導(dǎo)致儀器噪聲的一個主要因素，與干涉圖像數(shù)據(jù)采集總時間呈現(xiàn)平方根關(guān)系。通過對多次測量結(jié)果取平均值，或增加干涉信號采樣頻率，都可以降低儀器噪聲。

Part.02

線性度和放大系數(shù)

臺階高度標(biāo)準(zhǔn)件常用于校準(zhǔn)掃描白光干涉儀軸向放大系數(shù)和線性度。為了對整個縱向測量范圍進(jìn)行校準(zhǔn)，需要將同一臺階高度標(biāo)準(zhǔn)件放置在不同縱向位置進(jìn)行測量。

基于三維計量的臺階高度標(biāo)準(zhǔn)

Part.03

橫向畸變

橫向畸變存在于幾乎所有光學(xué)成像系統(tǒng)中，在表面形貌測量中，橫向畸變會導(dǎo)致與視場位置有函數(shù)關(guān)系的系統(tǒng)誤差。傳統(tǒng)測量橫向畸變的方法是通過測量二維柵格標(biāo)準(zhǔn)件來實現(xiàn)的，有時也稱為空間像法，但這種方法的校準(zhǔn)精度受到標(biāo)準(zhǔn)件制造精度的限制?；?strong>自校準(zhǔn)技術(shù)的橫向畸變校正方法不受限于標(biāo)準(zhǔn)件精度，利用剛性標(biāo)準(zhǔn)件幾何形狀不變的特性,通過在多個位姿(通常是平移和旋轉(zhuǎn))測量該標(biāo)準(zhǔn)件，使用迭代優(yōu)化和最小二乘法等數(shù)學(xué)方法分離標(biāo)準(zhǔn)件誤差與儀器橫向畸變。自校準(zhǔn)技術(shù)結(jié)合圖像相關(guān)算法后，可通過測量帶有隨機(jī)表面特征的平面，實現(xiàn)掃描白光干涉儀的橫向畸變校正。

基于圖像相關(guān)點計算和自校準(zhǔn)技術(shù)對任意表面進(jìn)行納米級精密度的橫向畸變測量

Part.04

光學(xué)像差

光學(xué)像差，例如球差和色差，以及其他高階像差，會降低掃描白光干涉測量的精度。此外，離焦也會顯著影響白光干涉儀的傳遞函數(shù)，降低空間帶寬和分辨率。

在掃描白光干涉測量中，通常是采用數(shù)字信號后處理方法來調(diào)整表面形貌測量結(jié)果，降低像差導(dǎo)致的測量誤差。

球差和色差的區(qū)別

Part.05

多種材料

在干涉儀這種測量相位的儀器中，光在材料表面反射時產(chǎn)生的相位變化取決于材料的光學(xué)特性。相位變化會引發(fā)掃描白光干涉術(shù)中10nm到100nm量級的高度測量誤差。這種誤差可通過測量材料的光學(xué)特性進(jìn)行補(bǔ)償。如果已知不同材料在可見光波段的折射率信息，可以使用基于模型的掃描白光干涉術(shù)校正由于反射相位變化導(dǎo)致的表面形貌誤差。

Part.06

高斜率表面

人造功能型表面常在宏觀和微觀尺度上具有不同的傾斜角。對于類似鏡面的表面來說，最大可測傾斜角為[90°-arcsin(NA)]，被稱為NA圓錐極限，具有更大傾斜角的鏡面基本不可測?，F(xiàn)實中許多表面具有微觀紋理，在被照射時會產(chǎn)生散射。通過捕獲背向散射光，掃描白光干涉術(shù)可測量傾斜角度超過NA圓錐極限的表面。

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單快速地非接觸測量從粗糙到超光滑，包括薄膜、陡坡和大臺階等各種表面的2D和3D特征。針對各行業(yè)高精度，高可靠性及重復(fù)性計量需求，提供計量解決方案。

通過對校準(zhǔn)、誤差補(bǔ)償技術(shù)的深入理解和應(yīng)用，我們能夠確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，滿足各行業(yè)對精密測量的嚴(yán)格要求。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們有理由相信，掃描白光干涉術(shù)將繼續(xù)在高精度測量領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。美能光子灣白光干涉輪廓儀以其卓越的性能和精確的測量能力，可為各行業(yè)提供了強(qiáng)有力的計量解決方案。

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