重新定义表面计量学：相干扫描干涉术的精度与性能优势

重新定义表面计量学

相干扫描干涉术的精度与性能优势

中心引进ZYGO品牌的白光干涉仪，检测项目为粗糙度、台阶高度。

检测范围为纵向扫描范围:150um精密压电陶瓷扫描。

检测精度为表面形貌重复性<0.08nm、RMS重复性<0.008nm、台阶高度重复性0.1%、台阶测量精度0.3%。

引进6英寸抗振型激光干涉仪，检测项目为面形偏差。

检测范围为可测最大外径150mm6英寸镜头(0.8、1.1、2.2、5.4、7.2、平面镜)4英寸镜头(0.75、1.5、3.3、7.1、10.7)

检测精度为RMS重复性<0.06 nm、RMS波前重复性<0.35 nm、像素峰值偏差<0.5 nm。

CSI基于光学干涉原理，可实现亚纳米级精度的表面形貌测量。该技术特别适用于敏感、精密或高精度表面，有效规避了触针轮廓仪等传统接触式测量技术可能导致的表面损伤或分辨率不足问题。

区别于单色干涉技术，CSI采用的宽带光源通过增强干涉条纹分辨能力，可精准测量从超光滑表面（如抛光晶圆）到高度纹理化表面（如喷丸处理的航空部件或增材制造堆积层）的各类形貌特征。

CSI的核心原理是将宽带光束通过分束器分为两路：参考光路（射向参考镜）与测量光路（射向被测表面）。反射光束重组形成干涉图样，当参考光与样品光的光程差（OPD）为零时，干涉条纹对比度达到峰值——该位置直接对应表面高度信息。

CSI的突出品质之一是其能够无缝处理广泛的表面纹理。对于光滑的抛光表面，该技术提供亚纳米级垂直分辨率（例如 <0.1 nm RMS），能够捕捉最微弱的起伏和缺陷。对于粗糙表面，例如金属喷丸部件、铸造材料或3D打印部件上的表面，宽带（白光）光源可确保在陡峭斜坡和深谷处保持干涉对比度。这种广泛的测量能力使CSI成为满足现代制造需求的独特多功能工具。

在实际应用中，CSI系统单次扫描即可覆盖整个视场（FOV），不同于逐点扫描的触针系统，并且可以配置为将多个视场拼接在一起。这种由复杂拼接算法驱动的数据“拼接”，创建出保持高保真度和无缝连续性的大面积复合图。其结果是获得大面积表面纹理、形状和粗糙度的整体高分辨率可视化图像。

球体表面粗糙度测量。显示拼接图像中的磨损痕迹/划痕，表面形状已被去除。拼接通过软件和硬件优化、仪器物理结构考量、校准以及先进的软件信号处理完成。

太阳能电池，基底纹理212nm，顶部纹理1.75µm。测量难度大但可实现的低反射率表面示例。

虽然许多传统的轮廓仪系统提供二维横截面数据，但CSI提供完整的三维形貌图。当表面质量和均匀性是关键性能指标时，例如在光学元件、微机电系统（MEMS）和精密涂层的制造中，这种三维视图非常宝贵。

完整的三维数据集使工程师不仅能够分析峰谷粗糙度，还能分析空间分布、区域粗糙度参数、波纹度以及其他影响功能和磨损的关键指标。凭借具有亚纳米级垂直分辨率和宽横向覆盖范围的数值数据，CSI不仅成为质量控制的强大工具，也是研发和失效分析的利器。

在失效研究的表面表征方面——理解材料变形、污染或磨损至关重要——CSI的高分辨率、高清晰度数据使定位问题、比较零件以及做出明智的工程决策变得更加容易。

历史上，大多数白光干涉仪采集的是灰度图像数据，这限制了它们在视觉线索至关重要的应用中的效用——例如在摩擦学中，表面相互作用和磨损可能具有颜色特征；或者在材料研究中，相位对比或反射率差异可能在视觉上明显。

为了克服这一限制，如今的白光干涉仪通过集成三种不同的光源——红、绿、蓝——来采集完整的RGB彩色数据。这种三色照明系统收集详细的光谱反射率信息，并将其叠加在相应的形貌图上。生成的图像是表面的生动、真彩色的三维表示，与实际高度数据对齐。

这种增强不仅提高了操作员的可解释性，还引入了独特的感官体验，增强了缺陷检测和特征识别能力——将仪器转变为真正沉浸式的计量工具。

左图：半导体晶圆背面                               右图：增材金属打印表面

CSI对材料和光洁度的广泛适应性使其成为跨行业应用的理想选择。无论是测量机加工钢的粗糙纹理、光学玻璃的抛光表面、半导体晶圆的结构化表面，还是生物相容性聚合物的纹理，该技术始终如一地提供稳定、高质量的数据。

反射率通常是光学测量中的一个限制因素，CSI系统可以处理从低至0.05%到高达100%的反射率，覆盖从深色哑光表面到高反射镜面的范围。此外，该技术在不同对比度水平、厚度和光学特性的材料上表现同样出色。

速度和效率在制造环境中至关重要，尤其是在检测瓶颈可能延误产出的生产线上。CSI能够在基于触针系统所需时间的一小部分内获取全场测量数据，这使其成为在线或近线检测场景的理想选择。此外，CST扫描模式固有的Z轴数据确定性确保了高速应用中的一致性和准确性，使其能够集成到自动化质量控制工作流程中。

确定性扫描、稳健拼接、彩色增强成像和表面不敏感测量的结合，使CSI成为满足实际表面计量需求的最全面的解决方案之一。

随着制造业向新材料、严公差及快周期演进，CSI通过其确定性非接触测量、真三维可视化及高速扫描能力，正推动表面计量范式的革新。该技术已成为精密制造领域不可或缺的核心工具，为21世纪表面性能优化提供关键支撑。