探索扫描白光干涉术：校准、误差补偿与高精度测量技术

 

扫描白光干涉术的快速发展，在制造业与科研领域的广泛应用中得到了验证，某种程度上成为了高精度表面形貌测量技术的标杆，尤其在半导体、精密光学、消费电子等产业的牵引下,其测量功能和性能得到持续提升。本期美能光子湾将对扫描白光干涉仪的校准及误差补偿技术的进展进行展开介绍。

 

作为一种光学测量手段，扫描白光干涉术先天具有高精度、快速、高数据密度和非接触式测量等优势。校准对于计量级测量仪器来说非常重要，是实现量值溯源的基础。

 

Part.01

 分辨率与噪声

横向分辨率被定义为当仪器对表面高度的响应下降至50%时所对应的测试板空间周期值。

传统方法中，横向分辨率是通过测量分辨率测试板来表征的，例如星形测试板，或啁啾相位光栅，这种具有连续变化的周期性结构的标准样品。

 

 

利用(a)厚度梯度和(b)宽度梯度产生啁啾光栅的方案

轴向分辨率经常被错误地用作表面形貌测量仪器的性能评价指标，很容易与扫描白光干涉仪的仪器噪声混淆。如果只关注物体的外表面，例如100%反射的金属材料，则轴向上不存在需要分辨的邻近两点，此时轴向分辨率的概念对于白光干涉测量基本没有意义。但在测量薄膜、涂层或亚表面特征时，轴向分辨率是表征光学层析能力的重要指标。

 

 

相干性对轴向分辨率的影响。成像系统的参数为：波长532nm，孔径（透镜）直径25mm，孔径（透镜）到像面距离0.2z m

 

 

表面形貌测量噪声是一种随机误差，可以通过重复性测试来定量表征。通过(多次测量)平均法或(两次测量)相减法可以从样品表面形貌测量结果中分离得到测量噪声。噪声密度也是评价仪器性能的一项重要指标，它能够体现表面形貌不相关数据点数量及测量耗时对测量精度的影响，同时关注扫描白光干涉仪的噪声和噪声密度有利于更全面地了解仪器测量能力。

 

仪器噪声是指最佳测量条件下的测量噪声。通常扫描白光干涉术的仪器噪声是通过测量一个垂直于光轴放置的光学平面来评估的。相机散粒噪声是导致仪器噪声的一个主要因素，与干涉图像数据采集总时间呈现平方根关系。通过对多次测量结果取平均值，或增加干涉信号采样频率，都可以降低仪器噪声。

 

 

 

Part.02

 线性度和放大系数

台阶高度标准件常用于校准扫描白光干涉仪轴向放大系数和线性度。为了对整个纵向测量范围进行校准，需要将同一台阶高度标准件放置在不同纵向位置进行测量。

基于三维计量的台阶高度标准

 

 

Part.03

 横向畸变

横向畸变存在于几乎所有光学成像系统中，在表面形貌测量中，横向畸变会导致与视场位置有函数关系的系统误差。传统测量横向畸变的方法是通过测量二维栅格标准件来实现的，有时也称为空间像法，但这种方法的校准精度受到标准件制造精度的限制。基于自校准技术的横向畸变校正方法不受限于标准件精度，利用刚性标准件几何形状不变的特性,通过在多个位姿(通常是平移和旋转)测量该标准件，使用迭代优化和最小二乘法等数学方法分离标准件误差与仪器横向畸变。自校准技术结合图像相关算法后，可通过测量带有随机表面特征的平面，实现扫描白光干涉仪的横向畸变校正。

基于图像相关点计算和自校准技术对任意表面进行纳米级精密度的横向畸变测量

 

 

Part.04

 光学像差

光学像差，例如球差和色差，以及其他高阶像差，会降低扫描白光干涉测量的精度。此外，离焦也会显著影响白光干涉仪的传递函数，降低空间带宽和分辨率。

在扫描白光干涉测量中，通常是采用数字信号后处理方法来调整表面形貌测量结果，降低像差导致的测量误差。

 

 

球差和色差的区别

 

 

Part.05

 多种材料

在干涉仪这种测量相位的仪器中，光在材料表面反射时产生的相位变化取决于材料的光学特性。相位变化会引发扫描白光干涉术中10nm到100nm量级的高度测量误差。这种误差可通过测量材料的光学特性进行补偿。如果已知不同材料在可见光波段的折射率信息，可以使用基于模型的扫描白光干涉术校正由于反射相位变化导致的表面形貌误差。

 

Part.06

 高斜率表面

人造功能型表面常在宏观和微观尺度上具有不同的倾斜角。对于类似镜面的表面来说，最大可测倾斜角为[90°-arcsin(NA)]，被称为NA圆锥极限，具有更大倾斜角的镜面基本不可测。现实中许多表面具有微观纹理，在被照射时会产生散射。通过捕获背向散射光，扫描白光干涉术可测量倾斜角度超过NA圆锥极限的表面。

 

Photonx Bay

 美能光子湾白光干涉轮廓仪

 

 

美能光子湾白光干涉轮廓仪可以简单快速地非接触测量从粗糙到超光滑，包括薄膜、陡坡和大台阶等各种表面的2D和3D特征。针对各行业高精度，高可靠性及重复性计量需求，提供计量解决方案。

 

通过对校准、误差补偿技术的深入理解和应用，我们能够确保测量结果的准确性和可靠性，满足各行业对精密测量的严格要求。随着技术的不断进步，我们有理由相信，扫描白光干涉术将继续在高精度测量领域扮演着不可或缺的角色，推动相关产业的发展和创新。美能光子湾白光干涉轮廓仪以其卓越的性能和精确的测量能力，可为各行业提供了强有力的计量解决方案。

 

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