白光干涉 3D 表面轮廓仪的原理解析

一、引言

在精密制造、材料科学和生物医学等领域，对物体表面微观形貌的三维测量需求日益迫切。白光干涉 3D 表面轮廓仪凭借纳米级测量精度、非接触式测量方式及广泛的适用性，成为表面形貌表征的核心设备。其基于白光干涉现象，通过对干涉信号的采集与分析，实现物体表面三维轮廓的高精度重构，为相关领域的研究与生产提供了关键技术支持。

二、仪器基本构成

白光干涉 3D 表面轮廓仪主要由光源模块、干涉光路系统、位移驱动系统、成像与探测系统及数据处理系统组成。

光源模块采用宽光谱白光光源（如卤钨灯或 LED），其包含 400-700nm 范围内的连续波长，为干涉现象提供多色相干光基础。

干涉光路系统通常基于迈克尔逊干涉结构，由分光镜、参考镜和测量物镜构成。分光镜将入射白光分为两束：一束射向固定的参考镜，经反射后原路返回；另一束通过测量物镜聚焦于被测物体表面，经表面反射后折返。两束反射光在分光镜处重新汇合，形成干涉条纹。

位移驱动系统通过压电陶瓷或精密线性导轨驱动参考镜或载物台沿光轴方向移动，实现光程差的连续调节，调节精度可达纳米级。

成像与探测系统由 CCD 相机和光学成像组件组成，用于捕捉不同光程差下的干涉条纹图像，并将光信号转换为电信号。

数据处理系统则通过专用算法对干涉图像序列进行分析，提取表面高度信息并重构三维轮廓。

三、工作原理解析

（一）白光干涉的特性基础

白光的多波长特性使其干涉条纹具有独特的空间分布规律：当两束相干光的光程差为零时，各波长的干涉条纹叠加形成对比度最高的中央亮纹；随着光程差增大，不同波长的条纹逐渐错位，对比度迅速衰减，最终消失。这种 “零光程差处对比度峰值” 的特性，为表面各点高度的精确定位提供了天然标记。

（二）3D 轮廓重构过程

测量时，位移驱动系统带动参考镜匀速移动，使光程差连续变化。CCD 相机同步采集一系列干涉图像（通常为数百帧），形成干涉图像栈。对于被测表面上的某一点，其高度对应于干涉条纹对比度最大时的参考镜位置 —— 通过分析该点在图像栈中的灰度变化，可确定零光程差位置，即该点的相对高度。

数据处理系统采用相干峰检测算法（如中心包络法或傅里叶变换法），对图像栈中每个像素的灰度序列进行分析，提取对应的高度值。将所有像素的高度信息按空间坐标排列，即可重构出被测物体的三维表面轮廓。

该过程兼具横向分辨率（由光学系统数值孔径决定）和纵向分辨率（纳米级），可同时表征表面粗糙度、台阶高度、曲率等微观形貌参数。

大视野 3D 白光干涉仪：纳米级测量全域解决方案​

突破传统局限，定义测量新范式！大视野 3D 白光干涉仪凭借创新技术，一机解锁纳米级全场景测量，重新诠释精密测量的高效精密。

三大核心技术革新​

1）智能操作革命：告别传统白光干涉仪复杂操作流程，一键智能聚焦扫描功能，轻松实现亚纳米精度测量，且重复性表现卓越，让精密测量触手可及。​

2）超大视野 + 超高精度：搭载 0.6 倍镜头，拥有 15mm 单幅超大视野，结合 0.1nm 级测量精度，既能满足纳米级微观结构的精细检测，又能无缝完成 8 寸晶圆 FULL MAPPING 扫描，实现大视野与高精度的完美融合。​

3）动态测量新维度：可集成多普勒激光测振系统，打破静态测量边界，实现 “动态” 3D 轮廓测量，为复杂工况下的测量需求提供全新解决方案。​

实测验证硬核实力​

1）硅片表面粗糙度检测：凭借优于 1nm 的超高分辨率，精准捕捉硅片表面微观起伏，实测粗糙度 Ra 值低至 0.7nm，为半导体制造品质把控提供可靠数据支撑。​

（以上数据为新启航实测结果）

有机油膜厚度扫描：毫米级超大视野，轻松覆盖 5nm 级有机油膜，实现全区域高精度厚度检测，助力润滑材料研发与质量检测。​

高深宽比结构测量：面对深蚀刻工艺形成的深槽结构，展现强大测量能力，精准获取槽深、槽宽数据，解决行业测量难题。​

分层膜厚无损检测：采用非接触、非破坏测量方式，对多层薄膜进行 3D 形貌重构，精准分析各层膜厚分布，为薄膜材料研究提供无损检测新方案。​

新启航半导体，专业提供综合光学3D测量解决方案！