Sensofar 表面轮廓仪 S neox的光学干涉技术

一、干涉测量的物理基础与系统架构

Sensofar S neox 的光学干涉测量技术基于迈克尔逊干涉仪原理，通过将光源发出的光分为参考光和样品光两路，利用光程差产生的干涉条纹实现表面形貌的纳米级表征。其核心架构包含：

多波长光源系统：配备红（630nm）、绿（530nm）、蓝（460nm）及白光 LED，支持不同波长下的干涉模式切换。白光光源的宽带特性使其在白光干涉模式下可通过波长扫描实现测量，避免单色激光的相位模糊问题。

高精度物镜组：尼康 CF60-2 系列物镜提供从 2.5X 到 150X 的放大倍率，数值孔径（NA）范围 0.05 至 0.95，确保在不同视场下保持横向分辨率 0.14μm 的水平。

相位调制模块：采用压电陶瓷（PZT）驱动参考镜，实现纳米级精度的相位位移控制，支持相位移干涉（PSI）所需的多帧相位偏移采集。

高灵敏度探测器：1360×1024 像素的 CCD 相机结合智能噪声检测算法（SND），可在低反射率（0.05%）表面实现信噪比＞30dB 的信号采集。

二、白光干涉模式的工作机制

S neox 的白光干涉模式（VSI）采用垂直扫描干涉技术，通过以下步骤实现表面形貌重建：

波长扫描与相干门控：

白光光源经分光镜分为样品光和参考光，参考光通过 PZT 驱动的参考镜产生光程差。

当样品表面高度变化导致光程差与光源相干长度匹配时，特定波长的光发生相长干涉，形成强度峰值。

通过垂直扫描（Z 轴步进）记录不同高度位置的干涉信号，结合光谱分析算法解算分布。

技术优势与参数指标：

测量范围：通过多场拼接技术实现 125×75mm 的大范围扫描，单视场垂直分辨率达 0.1nm。

表面适应性：可测量粗糙度 Ra 0.01μm 至 10μm 的表面，包括半导体晶圆、光学镀膜及微纳结构。

快速成像：采用 AI 多焦面叠加技术，对 86° 倾斜表面的扫描速度可达 mm/s 级别，显著优于传统白光干涉仪。

三、相位移干涉（PSI）的高精度测量技术

PSI 技术通过引入可控相位偏移实现亚纳米级分辨率，其核心流程如下：

相位调制与图像采集：

PZT 驱动参考镜产生 Δφ=π/2 的四步相位偏移，同步采集四帧干涉图像。

采用最小二乘法拟合光强表达式：

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

其中 A 为背景光强，B 为调制深度，φ 为相位分布。

相位解算与误差抑制：

通过反正切函数计算包裹相位：

结合空间相位解包裹算法消除 2π 相位跳变，获得连续相位分布。

针对环境振动干扰，S neox 采用扩展相移干涉（EPSI）技术，通过同时采集多帧图像并进行时空联合滤波，将系统噪声降至 0.01nm 以下。

典型应用场景：

超光滑表面检测：在 2.5X 低倍率物镜下实现大视场（1.2mm×0.9mm）的亚纳米级平整度测量，适用于光学镜片及半导体晶圆。

动态过程监测：支持实时相位采集（帧率 9 帧 / 秒），可用于 MEMS 器件的动态形变分析。

四、八部位移法的相位解算优化

八部位移法作为 PSI 技术的增强算法，通过增加相位偏移次数提升测量精度，其核心改进包括：

相位偏移策略：

采用 Δφ=π/4 的八步相位偏移，采集八帧干涉图像，光强表达式为：

 )(k=0,1,...,7)

通过线性组合消除直流分量和二次谐波误差，提高抗噪声能力。

相位重建公式：

计算虚部和实部分量：

 相位解算：

ϕ=arctan2(Im,Re)

该方法对线性相位误差的抑制能力比四步算法提升 3 倍，尤其适用于强噪声环境。

S neox 的技术实现：

结合 EPSI 技术，八部位移法被集成于 SensoSCAN 软件中，通过智能算法自动选择最佳偏移步数，在保证精度的同时将采集时间缩短至传统方法的 1/3。

在汽车发动机缸套的激光纹理测量中，该技术成功解析出 20nm 深度的微结构，测量重复性＜0.5nm。

五、多技术融合的协同效应

S neox 的优势在于将白光干涉、相位移干涉、共聚焦及多焦面叠加四种技术无缝集成，实现全场景覆盖：

技术互补机制：

白光干涉：用于粗糙表面的测量（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：提供高横向分辨率（0.14μm），适用于临界尺寸测量。

多焦面叠加：通过红绿蓝三色 LED 交替照明，实现大斜率（86°）表面的快速扫描。

智能模式切换：

软件自动识别表面特性，例如在半导体晶圆检测中，先通过白光干涉确定宏观形貌，再切换 PSI 模式进行局部纳米级分析。

在 MEMS 器件检测中，结合共聚焦的高分辨率和干涉的高精度，可同时测量结构高度（±10nm）和边缘粗糙度（Ra 0.2nm）。

六、工业级应用与性能验证

典型案例解析：

汽车发动机缸套纹理评估：采用白光干涉模式扫描激光加工的微结构，结合八部位移法解算，成功量化凹槽深度（20±0.5μm）和宽度（50±1μm），为摩擦性能优化提供数据支持。

半导体晶圆平整度检测：在 2.5X 物镜下对 300mm 晶圆进行全域扫描，测量结果与 AFM 比对显示偏差＜0.3nm，满足 ISO 25178 标准要求。

系统可靠性保障：

可追溯性校准：内置标准量块校准程序，确保纵向精度 ±0.1%，横向尺寸＜0.3%。

环境适应性：采用主动隔振平台和温度补偿算法，在车间环境（振动＜5μm，温度波动 ±2℃）下仍能保持测量稳定性。

七、总结与技术展望

Sensofar S neox 通过集成多种干涉技术，构建了从纳米到毫米级的全尺度表面表征体系。其白光干涉模式解决了测量的难题，相位移干涉实现了超光滑表面的亚纳米级精度，八部位移法则进一步提升了复杂环境下的测量可靠性。随着人工智能算法的深度融合，未来 S neox 有望在实时在线检测、动态过程监测等领域实现新突破，持续推动精密制造与*材料研究的发展。

Sensofar 表面轮廓仪 S neox的光学干涉技术