1. 简介
在精密制造、半导体加工和微纳米级表面工程领域，对精确垂直表面轮廓测量的需求持续增长。传统的接触式或低分辨率方法往往在精度和效率方面不足。垂直轮廓仪专门用于非接触式表面高度测量，由于其高精度和稳定性，越来越多地采用白光干涉法 (WLI) 作为其核心技术。本文介绍了 WLI 的工作原理，并阐述了它如何在垂直轮廓仪中实现纳米级垂直分辨率。
2. 白光干涉法基本原理
白光干涉法采用宽带光源（例如LED或卤素灯），基于迈克尔逊干涉仪原理。光线被分成参考光束和测量光束。经参考镜和样品表面反射后，光束重新组合形成干涉条纹。
与单色光不同，白光的相干长度非常短。因此，只有当两束光的光程差接近于零时，才会出现干涉条纹。这一特性使得沿垂直轴精确定位表面高度成为可能。
3. 使用WLI的垂直轮廓仪的系统架构
典型的基于 WLI 的垂直轮廓仪由以下关键模块组成：
宽带光源：提供可见光范围内的连续光谱光；
干涉物镜（例如，Mirau或Linnik型）：结合参考光束和测量光束；
Z轴扫描机构：以纳米级精度垂直移动干涉头或样品；
成像系统：使用CCD或CMOS相机捕获干涉图像序列；
图像处理算法：分析每个像素的条纹对比度变化以确定表面高度。
4. 实现纳米级垂直分辨率
基于WLI的轮廓术的核心能力在于其垂直分辨率，这是通过特定的算法实现的：
包络峰值检测：适用于粗糙或阶梯状表面；通过定位干涉包络中的最大对比度位置来确定表面高度。典型分辨率：1-10纳米。
相移干涉法：适用于光滑表面；分析干涉条纹的相位变化以提取亚纳米高度信息。
这些算法可以组合或根据表面类型自动选择，使系统能够适应各种测量场景。
5.优点和局限性
优点：
非接触、无损测量；
高垂直分辨率（低至1纳米）；
适用于反射、透明或中等粗糙的表面。
限制：
对环境振动敏感；建议采用隔离系统；
测量陡峭侧壁或深沟的能力有限；
成本较高，更适合对精度要求严格的中高端应用。
6. 结论
白光干涉法是一种成熟的光学技术，它使垂直轮廓仪能够实现高分辨率、非接触式表面测量。凭借坚实的物理基础和久经考验的可靠性，白光干涉法已广泛应用于半导体、光学和精密材料行业。展望未来，它与更快的扫描系统、增强的算法和自动化平台的集成将进一步扩展其在高精度计量领域的能力。