白光干涉仪【白光干涉显微镜】
白光干涉仪【白光干涉显微镜】
前言与目录
白光干涉仪是一种基于光干涉原理的精密测量仪器，广泛应用于3D高精度量测领域。本文将详细介绍白光干涉显微镜的工作原理、特点、应用领域以及不同类型的干涉物镜（Michelson型、Mirau型和Linnik型）的结构和原理。
目录
- 白光干涉显微镜（White light Interferenc microscope）
- 特点
- 应用领域
- 光学显微干涉术
- 干涉物镜分类
- 白光干涉仪的基本构造
- 经典白光干涉物镜
- Michelson 型白光干涉物镜
- Mirau 型白光干涉物镜
- Linnik型干涉显微物镜
- Michelson型、Mirau型和Linnik型干涉物镜原理、特点
一、白光干涉显微镜（White light Interferenc microscope）
白光干涉显微镜（White light Interferenc microscope）是使用光干涉原理来展示物体内部或表面特征的显微镜。通过纳米垂直扫描器与干涉物镜使分辨率达到0.1nm，因此在3D高精度量测领域具有重要应用。在同等系统放大倍率下，其检测精度和重复精度都高于共聚焦显微镜和聚焦成像显微镜。在一些纳米级和亚纳米级的超精密加工领域，白光干涉仪是唯一能满足加工精度要求的测量工具。
干涉 (物理学)
干涉（interference）在物理学中，指的是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加，从而形成新波形的现象。
白光干涉仪（White Light Interferometry, WLI）属于非接触式的3D光学式量测仪器，为光学式轮廓仪（Optical Profiler, OP）的一种，可进行样品粗糙度分析。其主要原理是利用白光的低同调特性，将物体反射的光线与参考面反射光线透过分光镜，产生干涉波，由相位差求得表面形貌高度。
用于光在两个不同表面反射后形成的干涉条纹进行分析的设备
干涉仪是一种对光在两个不同表面反射后形成的干涉条纹进行分析的仪器。其基本原理就是通过不同光学元件形成参考光路和检测光路。
特点：
- 非接触式测量：避免物体受损。
- 三维表面测量：表面高度测量范围为1nm至200μm。
- 多重视野镜片：方便物镜的快速切换。
- 纳米级分辨率：垂直分辨率可达0.1nm。
- 高速数字信号处理器：实现测量仅需几秒钟。
- 扫描仪：闭环控制系统。
- 工作台：气动装置、抗震、抗压。
- 测量软件：基于Windows操作系统的用户界面，强大而快速的运算。
应用领域：
- 半导体晶片
- 液晶产品（CS,LGP,BIU）
- 微机电系统
- 光纤产品
- 数据存储盘（HDD,DVD,CD）
- 材料研究
- 精密加工表面
- 生物医学工程
光学显微干涉术
传统的干涉测量方法，主要是通过观测干涉条纹的位置、间距等的变化来实现精确测量。典型方法是单色光相移干涉术和白光扫描干涉术。
单色光相移干涉术的测量思路为：参考臂和测量臂的反射光发生干涉后，利用相移法引入相位变化，根据该相位变化所引起的干涉光强变化，求解出每个数据点的相位，其结果不连续，位于(-π,π]之间，因此需要对该结果进行解包裹运算，然后根据高度与相位的关系，得到被测样品的表面形貌。这种方法在测量时对背景光强不敏感，测量分辨率高；但无法确定干涉条纹的零级位置和相位差的周期数，存在相位模糊问题；若被测样品表面的相邻高度超过1/4波长则不能测准，因此只能应用于对表面连续或光滑的结构的测试。
白光扫描干涉法由单色光相移技术发展而来，由于使用白光作为光源，在干涉时有一个确切的零点位置，其相干长度短，干涉条纹只出现在很小的范围内；当光程差为零时，干涉信号出现最大值，该点就代表对应点的高度信息，通过Z向扫描能够还原被测样品的整体形貌。
二、干涉物镜分类
由上述方法发展而来的光谱分光型白光干涉技术，是基于频域干涉的理论，利用光谱仪将传统方法对条纹的测量转变成为对不同波长光谱的测量。包含有被测表面信息的干涉信号，由含有色散元件和阵列探测器的光谱仪接收，通过分析该频域干涉信号来实现信息获取。相比于单色光干涉技术，光谱分光型白光干涉技术具有更大的测量范围，同时与白光扫描干涉术相比，它在测量时不需要大量的Z向扫描过程，极大提高了测量效率。利用光谱分光型白光干涉技术可以测量绝对距离、位移、微结构表面形貌、薄膜厚度等。在测量微结构三维形貌时，光谱分光型白光干涉技术，比于其他方法操作更简单，测量精度更高。
在微纳测量领域，为了提高光学测量系统的水平分辨率，通常采用显微物镜放大的方法。在光谱分光型白光干涉测量系统中可以采用几种显微结构，如Michelson型、Mirau型和Linnik型。
三、白光干涉仪的基本构造
白光干涉仪的主要组成是：光源及科勒照明系统、成像系统、图像采集系统、垂直扫描系统、调整系统、干涉物镜。白光干涉仪可以选用宽光谱白光LED作为光源，成像系统是使用管镜与干涉结构相结合的型式，垂直扫描系统采用压电陶瓷控制器（PZT）实现Z轴方向的精密位移与扫描，通过计算机编写软件实现对白光干涉仪的系统控制，最终实现对元件表面形貌的检测。
白光干涉物镜是白光干涉仪的核心组件，其性能直接决定了干涉仪的检测范围、检测精度和结果可靠度。经典的白光干涉物镜根据分光原理和结构不同可分为林尼克型（Linnik）、米劳型（Mirau）、迈克尔逊型（Michelson）三种类型。近半个世纪以来，市面上的白光干涉物镜根据不同的参数要求均选用了这3种结构型式，其中低放大倍率（1X、5X等）多采用Michelson型，中等放大倍率（10X、50X等）多采用Mirau型，高放大倍率（100X等）多采用Linnik型。
白光干涉仪系统图
四、经典白光干涉物镜
干涉物镜是将干涉结构集成至物镜中，在干涉仪检测光路中的体现就是将传统的分光镜及引入参考光的标准参考镜集成至物镜系统中，在物镜中完成分光及参考光和测试光的光程匹配，最终实现双光束干涉。经典的干涉物镜有：Fizeau型、Michelson型、Mirau型和Linnik型。除用于激光干涉系统的Fizeau型干涉物镜外，其他3种型式的干涉物镜均可用于白光干涉系统，在物镜结构上均需要等距的几何结构，称之为白光干涉物镜。Michelson型和Mirau型白光干涉物镜适用于中低放大倍率，Linnik型适用于高放大倍率。要满足干涉物镜的大视场检测需求，中低放大倍率是首选，故以下对Michelson型、Mirau型干涉物镜展开介绍。
（1）、Michelson型白光干涉物镜
从显微物镜出射的光线经过分光棱镜分光后，一部分会聚到参考平板上，形成参考光路；另一部分会聚在待测件上形成测试光路，两束光返回后形成干涉。由图可以看出，由于Michelson型干涉显微物镜中的立方分光棱镜位于物镜参考平板和样品表面之间，立方分光棱镜的大小将影响物镜的参数选择，一方面立方分光棱镜要占用显微物镜的工作距离，另一方面，立方分光棱镜处于会聚光路之中，产生自生不能校正的附加像差，因此Michelson型干涉结构一般用在设计低倍的干涉显微物镜。
Michelson型是白光干涉物镜放大倍率低于10倍时的首选方案。Michelson型干涉物镜结构由物镜、分光棱镜和参考镜构成，其结构如图：
Michelson型干涉结构图
Michelson型干涉物镜的工作原理为：从物镜出射的光线经过分光棱镜后被分为两束光，透过分光棱镜的一束光会聚到标准参考镜上，经参考镜表面反射回光路中形成参考光路；另一束光会聚在待测样品上，经样品表面反射回光路中形成测试光路，两束光相遇产生干涉形成干涉条纹。
从图可以看出，Michelson型白光干涉物镜使用的是体积较大的立方分光棱镜，该分光棱镜的位置处于待测样品、参考镜、物镜的中间，体积较大的分光棱镜和偏轴参考光路的结构直接影响干涉物镜的放大倍率、工作距离、数值孔径等参数的选择，因此Michelson型白光干涉物镜的放大倍率通常较低、工作距较长、数值孔径NA较小。这样的干涉结构会使得Michelson型白光干涉物镜在检测中适用性较低，通常使用在对工作距离有要求的特定场合。
没有像Mirau型干涉物镜那样的中心遮拦，允许使用较小的NA值和较低的放大倍率以获得较大的视场，Michelson型干涉结构有可能成为大视场白光干涉物镜的备选方案。但是由于Michelson型干涉结构的立方分光棱镜尺寸需跟物镜视场大小匹配，当物镜视场较大时，立方分光棱镜占据了过大的空间，且大尺寸的立方分光棱镜加工检测困难，因此不适合使用在更大视场的干涉物镜中。
（2）、Mirau型白光干涉物镜
Mirau型干涉显微物镜的干涉原理为：从显微物镜出射的光线，通过参考平板入射到分光平板表面之后，一部分光被反射，并且会聚在参考平板表面后，沿原光路返回形成参考光路；另一部分透射的光线，会聚在待测件上之后返回，形成测试光路，两束光汇合后产生干涉。
由于物镜和样品表面之间，需要放置两块平行的玻璃平板，作为参考平板和分光平板，占用了显微物镜很大一部分的工作距离，当放大倍率过大时，显微物镜的工作距离就会受到限制，因此不适合使用在放大倍率较大的显微物镜中。同时，由于参考平板中央镀有高反射膜，从而产生了中央遮拦，因此当放大倍率较小时，参考平板会遮挡更大的通光口径，使视场变暗，从而影响成像质量。但Mirau型干涉显微镜将物镜置于共光路系统中，有利于平衡参考光路和测试光路之间的误差。
Mirau型干涉物镜结构由物镜以及两块与物镜同轴的平行平板构成，平行平板位于物镜和待测样品之间，对靠近物镜的平行平板中央区域镀高反射膜作为参考镜，对靠近样品的平行平板表面镀半透半反膜作为分光镜。Mirau型干涉物镜结构图如图所示。
Mirau型干涉物镜结构图
Mirau型干涉物镜的工作原理为：从物镜出射的光线通过参考镜未镀膜区域入射至分光镜表面，由于分光镜表面镀有半透半反膜，经过分光镜的分光，一部分入射光被反射回参考镜表面并经参考镜中心高反膜反射沿原路返回至光路中作为参考光；另一部分入射光透过分光镜会聚在待测样品表面，经待测样品表面反射回光路中作为测试光，参考光与测试光在光路中相遇发生干涉，产生干涉条纹。
Mirau型干涉物镜近似共光路干涉系统，与物镜同轴的一对平行平板采用对称性结构，有利于将参考镜表面和待测样品表面精准地聚焦在零光程差的位置，同时这样的结构设计能够保证在干涉条纹对比度高的情况下色散不平衡最小，紧凑型封装也使得Mirau型干涉物镜具有更强的抗干扰能力。
由于参考镜中央镀有高反射膜形成中心遮拦，中心遮拦的大小跟物镜的放大倍率反相关，物镜放大倍率越小，中心遮拦越大。因此当物镜的放大倍率较低时，较大的中心遮拦会遮挡通光孔径，当放大倍率低于10X时，中心遮拦会挡住过多的光线使得视场变暗，严重影响成像质量，故也不适用于大视场干涉物镜的选型。
一种可能的解决方案是使用偏振元件去控制透过参考平板表面透明部分的光的传输量，这被称为无遮挡的Mirau物镜。然而，偏振元件使得设计更复杂，更加难以校正像差和补偿色散，同时还会引入由于偏振效应所带来的灵敏性问题。
（3）、Linnik型干涉显微物镜
Linnik型干涉结构由立方分光棱镜，两个完全相同的物镜以及参考平板组成，其结构图如图所示。
Linnik型干涉结构
Linnik型干涉显微镜的光束是先通过一个立方分光棱镜分光，再分别经过两个完全相同的物镜，分别聚焦在参考平板和待测件上，两束返回的光形成干涉。由于物镜与待测件之间没有其他结构，所以Linnik型的干涉显微物镜，可以做到很高的放大倍率和很短的工作距离，其放大倍率通常在100X以上。但是由于参考光路与测试光路分别通过一个物镜，因此为了平衡像差、提高测量精度，两块物镜必须是完全相同的，这给加工制造带来了很大的困难，同时Linnik型干涉显微物镜，易受到周围环境的影响，其抗干扰能力很差。
五、Michelson型、Mirau型和Linnik型干涉物镜原理、特点
Michelson型、Mirau型和Linnik型干涉物镜各有优缺点，选择时需要根据具体的应用场景和需求来决定。Michelson型适合低倍率测量，Mirau型适合中等倍率测量，而Linnik型则适合高倍率测量。