白光干涉表面三维轮廓仪原理及应用
白光轮廓仪原理
白光轮廓仪原理白光轮廓仪是一种用于测量物体表面形状和尺寸的仪器。
它可以通过光学方法测量物体的高度、深度和轮廓，从而得到物体的三维形状。
本文将介绍白光轮廓仪的原理、工作流程和应用领域。
一、原理白光轮廓仪的原理基于三角测量原理。
它利用光学投影和图像处理技术，通过测量光源到物体表面的距离来确定物体表面的形状和尺寸。
其基本原理如下：1. 光源发出白光，经过透镜聚焦后照射到物体表面上。
2. 物体表面反射出的光线经过透镜再次聚焦，形成像。
3. 通过调节摄像机位置和角度，捕捉物体表面的像。
4. 利用图像处理算法，分析图像中像素点的亮度和位置信息，计算出物体表面的高度和轮廓。
二、工作流程白光轮廓仪的工作流程包括以下几个步骤：1. 设置测量参数：包括光源位置、光源强度、摄像机位置和角度等。
2. 光源照射：打开光源，将光线照射到物体表面上。
3. 捕捉图像：通过调节摄像机位置和角度，捕捉物体表面的像。
4. 图像处理：利用图像处理算法，分析图像中像素点的亮度和位置信息，计算出物体表面的高度和轮廓。
5. 数据输出：将测量结果输出到计算机或其他设备上进行进一步处理和分析。
三、应用领域白光轮廓仪广泛应用于以下领域：1. 工业制造：用于测量机械零件、电子元器件、汽车零部件等的尺寸和形状。
2. 航空航天：用于测量飞机、火箭等航空器的表面形状和尺寸。
3. 医疗保健：用于测量人体器官的形状和尺寸，如牙齿、骨骼等。
4. 环境监测：用于测量地形、水文等自然环境的形状和尺寸。
5. 文物保护：用于测量文物、艺术品等的形状和尺寸，以便进行保护和修复。
四、总结白光轮廓仪是一种高精度、高效率的测量仪器，其原理基于三角测量原理，通过光学投影和图像处理技术测量物体表面的高度、深度和轮廓。
它广泛应用于工业制造、航空航天、医疗保健、环境监测、文物保护等领域。
随着科技的不断发展，白光轮廓仪将会有更广泛的应用前景。
光学3D表面轮廓仪在半导体硅片和光学基片表面面形精度测量上的应用
另外一束光经参考镜反射，两束反射光最终汇聚并发生干涉，显微镜将被测表面的形貌特征转化为干涉条纹信号，通过测量干涉条纹的变化来测量表面三维形貌。
向左转|向右转
光学3D表面轮廓仪专用于非接触式快速测量，精密零部件之重点部位的表面粗糙度、微小形貌轮廓及尺寸，其测量精度可以达到纳米级！目前，在3D测量领域，白光干涉仪是精度最高的测量仪器之一。
第三部分：SuperView W1光学3D表面轮廓仪主要特点和技术指标
中图仪器SuperView W1光学3D表面轮廓仪主要有以下特点:
●双模式分析软件：适用于批量测量和分析研究的两种不同场景下的双模式分析软件；
●齐全的分析功能：包括粗糙度参数分析、2D轮廓分析、频谱纹理分析、结构分析、功
能分析等五大分析功能模块；
●超高测量精度:独特的3D重建算法，自动滤除样品表面噪点，确保测量数据结果不受样
品表面杂质影响；
●超高重复性：双通道气浮隔振系统、经过内部抗振处理的测头，能够有效隔离地面振动
噪声和空气中声波振动噪声，保障仪器在大部分的生产车间亦可正常使用，获得超高测量重复性；
●灵活便捷的操纵杆：量身定制的操作手柄，集成了XYZ三轴运动控制模块，测量时无须
进行视线切换，能有效减轻操作人员用眼疲劳，提高测量效率；
●真空吸附台：专为大尺寸轻薄样品设计的真空吸附平台，可有效确保轻薄如纸的样品不
受微弱空气扰动影响，保证测量结果的准确性。
中图仪器SuperView W1光学3D表面轮廓仪主要技术指标:。
白光干涉仪测量的那些3D形貌
白光干涉仪3D形貌测量之美
白光干涉仪能测什么？有着“纳米眼”之称的白光干涉仪，是一款在纵向分辨率上可实现0.1nm的分辨率和测量可靠性的光学测量仪器。
下面就让我们一起来领略下国产白光干涉仪镜头下的3D显微之美。
SuperViewW1白光干涉仪
白光干涉仪采用的光学轮廓测量法可以非接触式测量非平坦样品，轻松测量出弯曲和其他非平面表面，还可以测出曲面的表面光洁度、纹理和粗糙度等，同时不会像探针是轮廓仪那样损坏薄膜。
白光干涉仪3D形貌图片：
图1.超光滑_纳米级表面
图2.分成了32阶的纳米级微纳光学元件
图3.半导体芯片表面外观
图4.微纳凹凸圆表面
图5.拼接_摩擦磨损工艺零部件
图6.拼接_大区域超光滑凹球面
图7.光学衍射元器件
除主要用于测量表面形貌或测量表面轮廓外，具有的测量晶圆翘曲度功能，非常适合晶圆，太阳能电池和玻璃面板的翘曲度测量，应变测量以及表面形貌测量。
非接触高精密光学测量方式，不会划伤甚至破坏工件，不仅能进行更高精度测量，在整个测量过程还不会触碰到表面影响光洁度，能保留完整的晶圆片表面形貌。
测量工序效率高，直接在屏幕上了解当前晶圆翘曲度、平面度、平整度的数据。
硅晶圆粗糙度测量
晶圆IC减薄后的粗糙度检测
白光干涉仪所具有技术竞争力在于接触式和光学三维轮廓仪的结合。
通过利用接触式及非接触式双模式基于技术上的优势获得获得全面的表面特性。
既可以用于科学研究，也可以用于工业产品的检测。
白光扫描粗糙度轮廓仪应用
研发部门
Costa Mesa, 加州 Watsonville, 加州 Montreal, 加拿大
Middlefield, 美国康涅狄格州
3
Zygo 扫描白光干涉仪 SWLI
• • 高速，非接触测量，各种尺寸的样品都能提供高分辨率三维数据结果： 优势
– 在0.1nm到150微米的范围上使用一种测量方式，一种算法。
10
平面度测量
大尺寸拼接。
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灵活选择的附件
ZYGO为工业应用提供广泛的物镜选择
标准工作距离
长工作距离
超长工作距离
2.75x
5x
5.5x
10x
20x
50x
100x
1x
(8mm)
2x
(20mm)
5x
(20mm)
10x
(18mm)
1x (40mm)
2.5x (40mm)
5x (40mm)
•
其他附件 – 4位塔台
– 可溯源台阶块
– 可溯源横向标准块 – 可溯源平面度标准块
12
谢谢
13
光强 信号包络
对物理高度的结果。 • 单波长激光干涉系统在测量粗糙样品时，就没 有这样的优点，移相法在处理每个像素的数据 时候会结合邻近像素相位结果，并且得到的原 始结果是基于相位的而不是物理距离。 • 这使在测量处理粗糙样品表面的数据时候，白 光干涉扫描具有很大优势，能测量粗糙或者有
条纹信号
-5
0 扫描距离 (microns) Nexview 典型的干涉条纹信号
4
白光干涉扫描轮廓仪的工作原理
• • 白光扫描干涉测量法是一种非接触的测 量方式，通过干涉条纹，来比较样品测 试表面跟理想参考面的偏差。 通过显微镜物镜的垂直扫描测试样品表 面，得到整个视场区域的测试结果----整幅的三维数据地图，而不是只有一条 剖面线的结果。
白光干涉表面结构测量仪的优化设计与应用
仪的测量效率 , 提出一种以显微干涉图像灰度值归一化标准方 差为依据的白光干涉测量条纹自动搜索定位方法 。相关实验 结果为白光干涉表面结构测量仪的优化设计提供参考依据 。
1 测量仪的设计与工作原理 1. 1 测量仪的构成
Hale Waihona Puke 白光显微干涉法是一种十分重要的微纳表面结构测量方 法 ,具有非接触的优点 , 且可进行三维测量 , 因而在微电子 、 微 机电系统以及微光机电系统等的表面结构测量上得到广泛应 用
1, 2 1 2 1
( 1. D epart m en t of I n strum en ta tion, School of M echan ica l, Huazhong Un iversity of Sc ience and Technology, W uhan 430074, Ch ina; 2. M echan ica l D epartm en t, Hube i Autom otive I ndustr ies In stitute, Sh iyan 442002, Ch ina) Abstract: An instrument for surface texture measurement was developed based on white interference method for surface texture measurement of M EM S . A m icro interferometer was designed. The influence of key design parameters of the m icro interferometer such as light source bandw idth, objective numerical aperture, and pore aperture size to the light intensity distribution of interference fringe of vertical scanning white m icroscopy interference measurement was analyzed by experim ents . A 1D disp lacement worktable of Z direction was designed, an automatic search and location method of fringe of white light interference measurement based on the normalized standard deviation of gray value of interference m icroscopy im ages was p roposed. The correlative experim ent results p ro2 vide reference for the op tim al design of white light m icro interferometer for surface texture. Key words: m icro interferometer; white light m icroscopy interference; light source; numerical aperture; pore aperture 0 引言
白光干涉仪测量显示高度的原理_解释说明以及概述
白光干涉仪测量显示高度的原理解释说明以及概述1. 引言1.1 概述在现代科学和工程领域中，测量显示高度是非常重要的任务之一。
白光干涉仪作为一种精密的测量仪器，被广泛应用于各个领域，如光学、材料科学、半导体制备等。
它通过干涉现象来实现对表面高度差异的精确测量。
本篇文章将详细介绍白光干涉仪的原理，并解释说明其测量显示高度的原理。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分。
引言部分对白光干涉仪测量显示高度的原理进行了概述，并阐明本文的目的。
第二部分将详细讨论白光干涉现象以及干涉仪组成与工作原理。
第三部分将介绍使用和操作白光干涉仪时需要注意的设置、调整、测量步骤以及数据记录与分析方法。
第四部分将讨论白光干涉仪在不同应用领域中的应用情况，并探讨其技术局限性。
最后，结论与展望部分将总结本文所述内容，并展望白光干涉仪在未来的改进与发展方向。
1.3 目的本文的目的是为读者提供一个全面且清晰的了解白光干涉仪测量显示高度原理的资料。
通过阐述白光干涉现象、干涉仪的组成与工作原理，以及使用和操作方法，让读者能够更好地理解白光干涉仪这一测量仪器，并掌握其在实际应用中的技术要点和注意事项。
同时，对于白光干涉仪在不同领域的应用情况和技术局限性进行详细阐述，以期引发读者对该领域未来发展方向的思考。
2. 白光干涉仪的原理2.1 白光干涉现象白光干涉是指当宽谱连续光通过两个光学路径，再经过重合时所产生的干涉现象。
这是由于不同波长的光在不同程度上会产生相位差而导致的。
2.2 干涉仪组成与工作原理白光干涉仪主要由一个分束器、两个反射镜和一个待测物体构成。
简单来说，分束器将入射的白光分成两束相干的准平行光，然后通过调整反射镜使得两束平行光以不同的角度照射待测物体。
反射镜将经过物体后返回的反射光重新汇聚，再次经过分束器。
接下来，利用一台增加了直流延迟信号电压的扫描仪对返回的平行光进行扫描，并用一个探测器记录振动条纹信号。
2.3 测量显示高度的原理白光干涉仪可以利用其原理和构造通过显示出截面图或者等高线来测试并观察表面高度的变化情况。
表面微观形貌测量技术发展暨光学3D表面轮廓仪原理应用说明
表面微观形貌测量技术发展暨光学3D表面轮廓仪原理应用说明表面微观形貌测量技术的发展历程及国内外研究现状早期,对于试件表面微观的量度，只能依靠触觉、视觉、直接触摸或目测等简单的方法来判断，随着社会慢慢发展，就出现采用显微镜的方法进行。
上面这些方法只能够对试件表面微观定性做出简单评定。
德国人G.Schmalz，在1929年第一次对机械构件微观表面高度定量的进行了评定。
在几年后，构件表面粗糙度测量仪、触针式表面粗糙度测量仪等都相继在车间中出现。
随之，中国也也出现了自行设计、生产的压电式的GJD-5A型表面粗糙度测量仪及电感式的BCJ-2型表面粗糙度测量仪。
这些表面测量轮廓仪都是触针式，具有测量速度快、操作起来方便等优点。
但是，这类测量仪是采用触针的方式进行测量，对被测表面会产生损伤，这样将影响到测量精度，所以对于塑料、轻金属以及精加工表面而言，此类触针式表面轮廓仪是不适用的。
随着光学方面技术的发展，非接触式的光学表面粗糙度测量仪逐渐问世。
苏联与德国在五十年代相继研制出干涉显微镜，而美国很快研制出了三维表面针式轮廓仪；中国在六十年代也自行研制出来6J型的干涉显微镜及91型的光切显微镜。
然而，以上这些构件表面测量仪，只是针对较水平的表面，并且其测量效率及测量精度都较低。
七十年代后，伴着精密仪器及微电子技术的兴起，诞生了一系列的表面测量方法。
美国首次研制出了Talysurf-5型测量仪，该仪器的分辨率达到了1nm，可以实现对构件表面轮廓的测量，且可进行参数显示、分析及快速傅立叶运算。
英国也研制出了一种粗糙度测量仪，横向放大倍数范围2000~5000，纵向放大倍数范围80~100万，测量精度高达1~2%。
随着精密仪器及微电子技术的进一步发展，出现了扫描电子显微镜，该测量仪具有极高分辨率，可实现无接触测量及定量评定。
在1970年，Meadows和Takasaki报道中诞生了一种三维表面轮廓成像技术---即基于光学条纹图分析原理的测量技术。
三维光学轮廓测量仪综述
三维光学轮廓测量仪综述
三维光学轮廓测量仪是利用光学显微技术、白光干涉扫描技术、计算机软件控制技术和PZT垂直扫描技术对工件进行非接触测量，还原出工件3D表面形貌宏微观信息，并通过软件提供的多种工具对表面形貌进行各种功能参数数据处理，实现对各种工件表面形貌的微纳米测量和分析的光学计量仪器。
三维光学轮廓测量仪典型特点：
1) 使用白光干涉测量技术，非接触式、非破坏性、快速表面形貌测量与分析；
2) 台阶高度测量分辨率达0.1 nm；
3) 可搭配黑白或彩色相机进行2D、3D显示和测量功能；
4) 配置电动鼻轮，可同时挂载多种物镜并程序化控制切换使用；
5) 采用双光源模式，适应特殊样品测量；
6) 测量范围100×100mm(可按客户定制尺寸)；
7) 配置低倍率物镜(2.5×和5×倍率)，可进行大面积3D测量；
8) 提供多种表面参数测量功能，如断差高度、夹角、面积、体积、粗糙度、波纹度、
薄膜厚度及平面度；
9) 提供超过250多种各类参数（含2D、3D）计算；
10) 友好的人机界面，简便的图形化控制系统及3D图型显示；
11) 多种交换文件格式，可储存与读取多种3D轮廓文件格式；
三维光学轮廓测量仪典型应用：
对各种产品、部件和材料表面的平面度、粗糙度、波纹度、共面性、面形轮廓、表面缺陷、磨损情况、腐蚀情况、孔隙间隙、台阶高度、蚀刻情况、弯曲变形情况、加工情况、材料支撑率等表面形貌特征进行测量和分析。
应用范例：
三维光学轮廓测量仪主要技术指标：。
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白光干涉表面三维轮廓仪原理及应用
表面三维微观形貌测量意义
在生产中，表面三维微观形貌对工程零件的许多技术性能的评价具有最直接的影响，而且表面三维评定参数由于能更全面、更真实地反映零件表面的特征及衡量表面的质量而越来越受到重视，因此表面三维微观形貌的测量就越显重要。
通过对三维形貌的测量可以比较全面地评定表面质量的优劣，进而确认加工方法的好坏及设计要求的合理性，这样就可以反过来通过指导加工、优化加工工艺以加工出高质量的表面，确保零件使用功能的实现。
表面三维微观形貌的测量方法非常丰富，通常可分为接触式和非接触式两种，其中以非接触式测量方法为主。
下面介绍其中一种近年来国际上研究比较多的、发展也相对比较成熟的技术：扫描白光干涉法测量表面三维微观形貌技术。
白光干涉扫描原理
在利用白光干涉测量表面三维形貌的过程中，对于被测表面上某一点来说，为了定位其零光程差位置，必须采用某种扫描方式改变参考镜或者被测表面的位置，以此来获得该点光强变化的离散数据，然后依据白光干涉的典型特征来判别并提取最佳干涉位置。
因此称这种方法为扫描白光干涉测量法。
图1(a)所示为白光干涉仪架构图，图1(b)所示为仪器测量原理图，光学系统可采用基本的Michelson式干涉仪结构，只是在参考镜后安装有微驱动装置．而被测表面代替了另一个反射镜。
测量时通过计算机控制徽驱动装置的进给带动参考镜的进给，这样被测样本表面的不同高度平面就会逐渐进入干涉区，如果在充足的扫描范围内进给，被测样本表面的整个高度范围都可以通过最佳干涉位置。
将每步的干涉图样由图像传感器(CCD摄像头)采集，视频信号通过图像采集卡转换成数字信号并存储于计算机内存中，利用与被测面对应的各像素点相关的干涉数据，基于白光干涉的典型特征，通过采用某种最佳干涉位置识别算法对干涉图样数据进行分析处理，提取出特征点位置（最佳干涉位置J，进而就很容易得到各像素点的相对高度，这样便实现了对三维形貌的测量。
1(a)
1(b)
由于传统干涉法存在的局限性，使得当表面微观高度不连续性超过1/4窄带光源波长时，由于条纹的周期性使得不易精确分辨，从而无法进行微观高度超过十几微米的大范围测量。
而扫描白光干涉测量法克服了传统窄带光相移干涉测量中的测量范围小的不足：一方面由于
零级条纹的特征相对其它级别条纹来说区别比较明显，因此易于辨别和定位I另一方面．由于零光程差附近光强呈非周期性，因此它有效地消除了相模糊误差，减少了对测量范围的限制。
中图仪器公司的三维轮廓仪产品垂直测量范围都可达10mm。
扫描白光干涉法三维轮廓仪采用微驱动装置驱动参考镜的激进给。
由于一般微进给的步距精度都比较高，因此可以保证该方法能够达到较高的测量精度。
白光干涉表面三维轮廓仪典型应用
对各种产品、部件和材料表面的平面度、粗糙度、波纹度、面形轮廓、表面缺陷、磨损情况、腐蚀情况、孔隙间隙、台阶高度、弯曲变形情况、加工情况等表面形貌特征进行测量和分析。
应用范例：
白光干涉表面三维轮廓仪主要技术指标：
注：粗糙度性能参数依据ISO 25178国际标准在实验室环境下测量Ra为0.2nm硅晶片Ra参数获得；
台阶高性能参数依据ISO 25178国际标准在实验室环境下测量4.7µm台阶高标准块获得。