Sensofar 表面輪廓儀 S neox的光學(xué)干涉技術(shù)

一、干涉測量的物理基礎(chǔ)與系統(tǒng)架構(gòu)

Sensofar S neox 的光學(xué)干涉測量技術(shù)基于邁克爾遜干涉儀原理，通過將光源發(fā)出的光分為參考光和樣品光兩路，利用光程差產(chǎn)生的干涉條紋實(shí)現(xiàn)表面形貌的納米級表征。其核心架構(gòu)包含：

多波長光源系統(tǒng)：配備紅（630nm）、綠（530nm）、藍(lán)（460nm）及白光 LED，支持不同波長下的干涉模式切換。白光光源的寬帶特性使其在白光干涉模式下可通過波長掃描實(shí)現(xiàn)測量，避免單色激光的相位模糊問題。

高精度物鏡組：尼康 CF60-2 系列物鏡提供從 2.5X 到 150X 的放大倍率，數(shù)值孔徑（NA）范圍 0.05 至 0.95，確保在不同視場下保持橫向分辨率 0.14μm 的水平。

相位調(diào)制模塊：采用壓電陶瓷（PZT）驅(qū)動參考鏡，實(shí)現(xiàn)納米級精度的相位位移控制，支持相位移干涉（PSI）所需的多幀相位偏移采集。

高靈敏度探測器：1360×1024 像素的 CCD 相機(jī)結(jié)合智能噪聲檢測算法（SND），可在低反射率（0.05%）表面實(shí)現(xiàn)信噪比＞30dB 的信號采集。

二、白光干涉模式的工作機(jī)制

S neox 的白光干涉模式（VSI）采用垂直掃描干涉技術(shù)，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)表面形貌重建：

波長掃描與相干門控：

白光光源經(jīng)分光鏡分為樣品光和參考光，參考光通過 PZT 驅(qū)動的參考鏡產(chǎn)生光程差。

當(dāng)樣品表面高度變化導(dǎo)致光程差與光源相干長度匹配時，特定波長的光發(fā)生相長干涉，形成強(qiáng)度峰值。

通過垂直掃描（Z 軸步進(jìn)）記錄不同高度位置的干涉信號，結(jié)合光譜分析算法解算分布。

技術(shù)優(yōu)勢與參數(shù)指標(biāo)：

測量范圍：通過多場拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn) 125×75mm 的大范圍掃描，單視場垂直分辨率達(dá) 0.1nm。

表面適應(yīng)性：可測量粗糙度 Ra 0.01μm 至 10μm 的表面，包括半導(dǎo)體晶圓、光學(xué)鍍膜及微納結(jié)構(gòu)。

快速成像：采用 AI 多焦面疊加技術(shù)，對 86° 傾斜表面的掃描速度可達(dá) mm/s 級別，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)白光干涉儀。

三、相位移干涉（PSI）的高精度測量技術(shù)

PSI 技術(shù)通過引入可控相位偏移實(shí)現(xiàn)亞納米級分辨率，其核心流程如下：

相位調(diào)制與圖像采集：

PZT 驅(qū)動參考鏡產(chǎn)生 Δφ=π/2 的四步相位偏移，同步采集四幀干涉圖像。

采用最小二乘法擬合光強(qiáng)表達(dá)式：

I(x,y,k)=A(x,y)+B(x,y)cos[?(x,y)+kπ/2]

其中 A 為背景光強(qiáng)，B 為調(diào)制深度，φ 為相位分布。

相位解算與誤差抑制：

通過反正切函數(shù)計算包裹相位：

結(jié)合空間相位解包裹算法消除 2π 相位跳變，獲得連續(xù)相位分布。

針對環(huán)境振動干擾，S neox 采用擴(kuò)展相移干涉（EPSI）技術(shù)，通過同時采集多幀圖像并進(jìn)行時空聯(lián)合濾波，將系統(tǒng)噪聲降至 0.01nm 以下。

典型應(yīng)用場景：

超光滑表面檢測：在 2.5X 低倍率物鏡下實(shí)現(xiàn)大視場（1.2mm×0.9mm）的亞納米級平整度測量，適用于光學(xué)鏡片及半導(dǎo)體晶圓。

動態(tài)過程監(jiān)測：支持實(shí)時相位采集（幀率 9 幀 / 秒），可用于 MEMS 器件的動態(tài)形變分析。

四、八部位移法的相位解算優(yōu)化

八部位移法作為 PSI 技術(shù)的增強(qiáng)算法，通過增加相位偏移次數(shù)提升測量精度，其核心改進(jìn)包括：

相位偏移策略：

采用 Δφ=π/4 的八步相位偏移，采集八幀干涉圖像，光強(qiáng)表達(dá)式為：

 )(k=0,1,...,7)

通過線性組合消除直流分量和二次諧波誤差，提高抗噪聲能力。

相位重建公式：

計算虛部和實(shí)部分量：

 相位解算：

?=arctan2(Im,Re)

該方法對線性相位誤差的抑制能力比四步算法提升 3 倍，尤其適用于強(qiáng)噪聲環(huán)境。

S neox 的技術(shù)實(shí)現(xiàn)：

結(jié)合 EPSI 技術(shù)，八部位移法被集成于 SensoSCAN 軟件中，通過智能算法自動選擇最佳偏移步數(shù)，在保證精度的同時將采集時間縮短至傳統(tǒng)方法的 1/3。

在汽車發(fā)動機(jī)缸套的激光紋理測量中，該技術(shù)成功解析出 20nm 深度的微結(jié)構(gòu)，測量重復(fù)性＜0.5nm。

五、多技術(shù)融合的協(xié)同效應(yīng)

S neox 的優(yōu)勢在于將白光干涉、相位移干涉、共聚焦及多焦面疊加四種技術(shù)無縫集成，實(shí)現(xiàn)全場景覆蓋：

技術(shù)互補(bǔ)機(jī)制：

白光干涉：用于粗糙表面的測量（Ra＞0.1μm）。

相位移干涉：用于超光滑表面的高精度分析（Ra＜0.01μm）。

共聚焦：提供高橫向分辨率（0.14μm），適用于臨界尺寸測量。

多焦面疊加：通過紅綠藍(lán)三色 LED 交替照明，實(shí)現(xiàn)大斜率（86°）表面的快速掃描。

智能模式切換：

軟件自動識別表面特性，例如在半導(dǎo)體晶圓檢測中，先通過白光干涉確定宏觀形貌，再切換 PSI 模式進(jìn)行局部納米級分析。

在 MEMS 器件檢測中，結(jié)合共聚焦的高分辨率和干涉的高精度，可同時測量結(jié)構(gòu)高度（±10nm）和邊緣粗糙度（Ra 0.2nm）。

六、工業(yè)級應(yīng)用與性能驗證

典型案例解析：

汽車發(fā)動機(jī)缸套紋理評估：采用白光干涉模式掃描激光加工的微結(jié)構(gòu)，結(jié)合八部位移法解算，成功量化凹槽深度（20±0.5μm）和寬度（50±1μm），為摩擦性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

半導(dǎo)體晶圓平整度檢測：在 2.5X 物鏡下對 300mm 晶圓進(jìn)行全域掃描，測量結(jié)果與 AFM 比對顯示偏差＜0.3nm，滿足 ISO 25178 標(biāo)準(zhǔn)要求。

系統(tǒng)可靠性保障：

可追溯性校準(zhǔn)：內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)量塊校準(zhǔn)程序，確?？v向精度 ±0.1%，橫向尺寸＜0.3%。

環(huán)境適應(yīng)性：采用主動隔振平臺和溫度補(bǔ)償算法，在車間環(huán)境（振動＜5μm，溫度波動 ±2℃）下仍能保持測量穩(wěn)定性。

七、總結(jié)與技術(shù)展望

Sensofar S neox 通過集成多種干涉技術(shù)，構(gòu)建了從納米到毫米級的全尺度表面表征體系。其白光干涉模式解決了測量的難題，相位移干涉實(shí)現(xiàn)了超光滑表面的亞納米級精度，八部位移法則進(jìn)一步提升了復(fù)雜環(huán)境下的測量可靠性。隨著人工智能算法的深度融合，未來 S neox 有望在實(shí)時在線檢測、動態(tài)過程監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新突破，持續(xù)推動精密制造與*材料研究的發(fā)展。

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