白光干涉顯微鏡如何還原納米級表面形貌

一、光走了一圈

寬光譜光源發(fā)出的光進(jìn)入干涉物鏡，物鏡內(nèi)的分光面把光分成兩路：一路射向物鏡內(nèi)固定的參考面，另一路射向樣品表面。兩束光返回后重新匯合，一起進(jìn)入相機(jī)成像。樣品表面高度不同，返回光走過的路程就不同，兩束光之間產(chǎn)生光程差，相機(jī)上看到明暗相間的干涉條紋。

干涉物鏡常見 Michelson 與 Mirau 兩種結(jié)構(gòu)，差別在參考面的位置、工作距離與數(shù)值孔徑。

二、白光為什么能當(dāng)高度尺

若用單色光，干涉條紋在很寬的范圍內(nèi)都存在，整個(gè)視場都是明暗交替，無從判斷哪一點(diǎn)在哪一高度。白光的價(jià)值在于相干長度短，通常幾微米，超出這個(gè)范圍條紋會(huì)迅速失去對比度。

于是出現(xiàn)一個(gè)關(guān)鍵性質(zhì)：視場內(nèi)每一點(diǎn)都存在一個(gè)位置，讓該點(diǎn)的條紋對比度達(dá)到峰值，這個(gè)位置對應(yīng)兩路光程相等的狀態(tài)，也就等于該點(diǎn)的高度。 把物鏡沿 Z 向按固定步長逐步移動(dòng)、每一步拍一張圖，即得到一組圖像序列；分析每個(gè)像素在序列中的亮度變化曲線，找出峰值位置，該點(diǎn)高度就確定了。

每個(gè)像素獨(dú)立求解，幾十萬到幾百萬個(gè)點(diǎn)同時(shí)獲得。結(jié)果是一張完整的三維高度圖，而非若干條輪廓線。

三、兩種工作模式

垂直掃描干涉（VSI）：按固定步長在整個(gè)高度范圍掃描，靠條紋包絡(luò)定位峰值。量程大，可覆蓋數(shù)十至上百微米的高度差，適合臺階、凹坑與起伏較大的表面，垂直分辨能力在納米量級。

相移干涉（PSI）：采樣步長很?。ǔＨ〔ㄩL的幾分之一），利用條紋相位而非包絡(luò)求解。垂直分辨能力可達(dá)亞納米量級，但相鄰兩點(diǎn)高度差不能超過約四分之一波長，超出會(huì)出現(xiàn)相位跳變，故要求表面光滑連續(xù)、量程有限。

兩類模式并非互相替代：平滑區(qū)域用 PSI 獲得更高靈敏度，出現(xiàn)臺階或大起伏時(shí)切到 VSI。

四、從圖像序列到高度值：三步

1. 定位包絡(luò)峰值。 每個(gè)像素的亮度隨掃描位置呈現(xiàn)中間高、兩側(cè)衰減的包絡(luò)，峰值位置可用重心法、高斯擬合或頻域方法估計(jì)，各方法在抗噪性與速度上有差異。

2. 相位解算。 包絡(luò)峰值給出的是粗位置，還需結(jié)合條紋相位做細(xì)分，把精度提升到包絡(luò)定位之上。

3. 相位解包裹。 相位是周期量，解算結(jié)果被折疊在有限區(qū)間內(nèi)，需沿空間方向逐點(diǎn)展開成連續(xù)高度。陡坡、噪聲點(diǎn)、反射率突變都可能讓展開路徑判斷出錯(cuò)，在三維圖上表現(xiàn)為斷崖或錯(cuò)層。解包裹算法的穩(wěn)健程度，直接決定臺階與邊緣數(shù)據(jù)是否可用。

五、影響結(jié)果質(zhì)量的幾個(gè)環(huán)節(jié)

采樣步長：過大漏掉包絡(luò)細(xì)節(jié)，過小拉長掃描時(shí)間并與環(huán)境漂移疊加，需與實(shí)際量程匹配。

橫向分辨能力：受光學(xué)衍射與數(shù)值孔徑約束，不可能無限細(xì)致。需要更高橫向分辨，應(yīng)更換物鏡而非調(diào)整算法。

反射率差異：同一視場內(nèi)兼有鏡面與漫反射區(qū)域時(shí)，需軟件補(bǔ)償曝光與增益，否則一側(cè)過曝、一側(cè)信號不足。

拼接與環(huán)境：視場有限，測大尺寸樣品要分區(qū)域采集再拼接，誤差會(huì)累積到面形結(jié)果上；逐層掃描對振動(dòng)與溫度變化敏感，廠區(qū)使用需隔振與穩(wěn)定條件。

六、軟件在這里做了什么

硬件提供的是圖像序列，其余工作都在軟件里完成：包絡(luò)定位、相位解算與解包裹、異常點(diǎn)剔除、最小二乘平面或 Zernike 擬合（分離工件傾斜與曲率）、濾波與參數(shù)計(jì)算、視場拼接、三維可視化與報(bào)告輸出。

判斷設(shè)備是否適合你的樣品，看參數(shù)表不如看實(shí)測高度圖。歡迎寄送樣件，我們用實(shí)際數(shù)據(jù)說明能做到什么程度。