掃描白光干涉術(shù)（SWLI）是目前最精確的表面形貌測量技術(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、汽車及航天等先進制造領(lǐng)域的需求牽引下，該技術(shù)不斷取得新的進展與突破。本文將詳細介紹SWLI技術(shù)的工作原理、技術(shù)特點及其在多個領(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(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)，全視場時域光學(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標準推薦作為白光干涉這類技術(shù)在表面測量學(xué)領(lǐng)域的術(shù)語。

Part.02

相干掃描干涉測量技術(shù)（CSl）

相干掃描干涉測量技術(shù)（CSl）是工業(yè)材料表面形貌測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信號記錄

除了機械掃描操作，CSI和傳統(tǒng)寬視場顯微鏡的一個主要區(qū)別是CSI采用了一個干涉物鏡，通常有一個內(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)的一個鮮明技術(shù)特點：橫向分辨率與縱向測量精度的相對獨立性。

此外，CSI的另一個特點在于：與激光移相干涉法(PSI)不同。

因為它使用寬帶光源，例如發(fā)光二極管(LED)或鹵素光源。這類光源的相干長度遠小于激光光源的相干長度。

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

低相干干涉測量原理圖

因此，掃描白光干涉儀的干涉信號被快速衰減的相干包絡(luò)調(diào)制，僅在探測光和參考光的光程差接近零時出現(xiàn)。通過判斷相干包絡(luò)峰值的位置，可以在亞微米級不確定度范圍內(nèi)計算出待測表面的高度。如果結(jié)合條紋的相位信息，可以把表面高度測量不確定度降低至亞納米量級。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次，找出零級條紋，實現(xiàn)絕對距離的測量，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)用場景，包括測量平整光滑的表面、含有臺階和斷層的表面、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/根號下Hz水平，適用于測量超光滑表面的粗糙度。測量的表面類型多種多樣，從測量得到的表面形貌圖可以計算分析表面微觀紋理的參數(shù)，例如表征標準質(zhì)量的316不銹鋼的表面紋理、測量渦輪機葉片表面形貌、檢測毛玻璃表面質(zhì)量和亞表面缺陷。

表面粗糙度測量

應(yīng)用.02

高斜率表面測量

當(dāng)待測表面是完美鏡面時，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到的最大表面斜率由物鏡NA決定。

掃描白光干涉儀測量傾斜鏡面的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)進步，最先進的掃描白光干涉儀能夠測量斜率超出傳統(tǒng)NA圓錐極限的非鏡面表面，這是因為物鏡收集了來自傾斜表面微觀紋理的背向散射光，并通過高動態(tài)范圍(high dynamic range,HDR)測量技術(shù)或信號過采樣技術(shù)提高散射信號的信噪比，獲得足以重構(gòu)表面的干涉條紋。

3D臺階高度測量

應(yīng)用.03

增材制造表面測量

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，精確測量增材制造表面是一項非常挑戰(zhàn)的任務(wù)。使用掃描白光干涉儀可以測量出增材制造表面。

通過掃描白光干涉儀測量的增材制造表面示例。(a)PBF AI-Si-10Mg樣品實物圖(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比度。測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。

掃描白光干涉技術(shù)以其卓越的測量精度和廣泛的應(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定，SWLI技術(shù)展現(xiàn)了其在精密測量領(lǐng)域的強大潛力。美能光子灣白光干涉輪廓儀將繼續(xù)在高精度測量領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色，為未來的技術(shù)革新和應(yīng)用提供堅實的基礎(chǔ)，同時也為工業(yè)和科研的發(fā)展貢獻著重要的力量。, 喬瀟悅, 簡振雄, 張政, 溫榮賢, 陳成, 任明俊, 朱利民. 用于表面形貌測量的掃描白光干涉技術(shù)進展[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 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, 簡振雄, 張政, 溫榮賢, 陳成, 任明俊, 朱利民. 用于表面形貌測量的掃描白光干涉技術(shù)進展[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 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, 簡振雄, 張政, 溫榮賢, 陳成, 任明俊, 朱利民. 用于表面形貌測量的掃描白光干涉技術(shù)進展[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 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，敬請聯(lián)系，我們將在第一時間核實并處理。