[新启航]白光干涉仪通过干涉条纹测量 3D 轮廓的原理解析

引言

在微纳米尺度表面形貌测量领域，白光干涉仪凭借非接触、高精度的优势，成为获取物体 3D 轮廓的重要工具。其核心原理是利用白光干涉产生的条纹信号，通过对条纹特征的分析与解读，还原样品表面的三维高度信息。深入理解这一过程的原理，对于掌握仪器操作、优化测量精度具有重要意义。

白光干涉仪的基本构成与干涉条纹形成

白光干涉仪主要由光源系统、干涉光路、扫描系统和探测系统组成。光源系统提供宽光谱的白光，经分光镜分为两束：一束为参考光，射向固定的参考镜并反射回分光镜；另一束为物光，照射到被测样品表面，经样品反射后同样返回分光镜。两束反射光在分光镜处汇合，因光程差满足相干条件而产生干涉条纹。

与单色光相比，白光的相干长度极短（通常仅数微米），仅在参考光与物光的光程差接近零时才会形成清晰的干涉条纹。这种特性使得干涉条纹仅出现在样品表面与参考镜高度匹配的微小区域，为后续的高度定位提供了天然的 “标记”。

基于干涉条纹的高度信息提取

干涉条纹的强度分布特性

干涉条纹的强度分布遵循正弦规律，其对比度（即条纹清晰度）在光程差为零时达到最大值。当样品表面存在高度起伏时，不同位置的物光光程会发生变化，导致干涉条纹的对比度峰值出现在不同的扫描位置。例如，样品表面凸起处的物光光程较短，对应的对比度峰值会在参考镜扫描的早期出现；而凹陷处则相反。

垂直扫描与条纹信号采集

测量过程中，系统通过压电驱动装置带动参考镜沿 Z 轴方向进行精密扫描。在扫描过程中，探测器实时记录样品表面各点的干涉条纹强度变化，形成干涉信号的 “包络曲线”。每个像素点的包络曲线峰值位置，即对应该点的实际高度坐标。

以某硅片表面测量为例，当参考镜从低到高扫描时，硅片表面的凸点会先与参考光形成零光程差，此时该点的干涉条纹对比度最高，探测器捕捉到这一峰值后，即可将其对应的 Z 轴位置记录为该点的高度值。

3D 轮廓的重建过程

像素级高度计算

通过对每个像素点的干涉信号包络进行分析（如采用中心提取算法），可确定其对应的 Z 轴高度。这一过程中，算法需精准识别包络峰值的位置，其精度直接影响最终的高度测量结果。目前常用的算法包括傅里叶变换法、相移法等，其中相移法通过采集多帧不同相位的干涉条纹，可实现纳米级的高度分辨率。

二维拼接与三维成像

完成所有像素点的高度计算后，系统将各点的 X、Y 平面坐标与对应的 Z 轴高度信息进行整合，形成样品表面的三维点云数据。经图像处理软件渲染后，最终呈现出直观的 3D 轮廓图像，可清晰展示样品表面的粗糙度、台阶高度、曲率等微观特征。

例如，在光学镜片测量中，3D 轮廓图像能准确反映镜片表面的球面度误差；在半导体芯片检测中，可清晰识别刻蚀沟槽的深度与宽度变化。

关键影响因素

干涉条纹的质量直接决定 3D 轮廓测量的精度。光源的光谱宽度影响干涉条纹的锐度，宽光谱光源可使包络曲线更陡峭，提升高度定位精度；光学系统的像差会导致条纹畸变，需通过精密校准减少误差；环境振动则可能引起光程差的不稳定，造成条纹模糊，因此高精度测量需在防震平台上进行。

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（以上数据为新启航实测结果）

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