白光干涉仪介绍课件
光的干涉和衍射ppt课件
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
珍宝鉴定
1985年，加拿大文物保护协会（CCT）的科学家们就 利用X光射线衍射分析方法对一件被作为凡高作品出 售的油画颜料进行了分析鉴定。科学家从这幅油画 的颜料中发现了大量的金红石的存在。作为白色颜 料的使用，二氧化钛一般以两种状态存在：金红石 和锐钛矿。锐钛矿作为白色颜料使用是从1925年开 始的，而金红石作为白色颜料直到1938年才开始生 产。因为金红石的存在，使得这幅油画的创作时间 不可能早于1938年，这与凡高的生活时期（1853年1890年）是不相符的，因而可以断定这幅被鉴定的 油画是一幅赝品。
2、由两个不同光源所发出的两束白光落在同一点 上，不会产生干涉现象．这是因为( ) A．两个光源发出光的频率不同 B．两个光源发出光的强度不同 C．两个光源的光速不同 D．这两个光源是彼此独立的，不是相干光源
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
光的干涉图样： 单色光：
明暗相间的条纹，且条纹间距相等。 两相邻亮纹（或暗纹）间距离与光的波长有关。
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
单色光的干涉图样：
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
• 干涉图样：条纹等宽等亮
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。
白光干涉仪
各波長同調示意圖干涉波待測物表面 Nhomakorabea優點
白光干涉儀不需複雜的光路調整程序，操作簡易， 準確度高可達奈米解析度，垂直掃描高度可達 400um的顯微三維量測，可呈現平面粗糙度與膜 厚量測等數據，適合各種材料與微元件表面特徵 和微尺寸檢。
應用
待測物
True map
白光干涉儀原理
CCD 白光光源 干涉物鏡 分光鏡
奈米級垂直掃描器
待測物
白光干涉技術以可見白 光為光源，光源發出的 白光通過干涉物鏡後， 在物鏡出口處的半透射 光學平面反射一半的光， 另一半光透射後照射在 量測物表面，量測物表 面的反射光又再次進入 干涉物鏡與元光學平面 的反射光產生干涉。
白光干涉原理是利用白光同調 性短不易產生干涉的特性，透 過頻率與振幅相近的光波，可 以形成如右上圖所示的低同調 性白光干涉波，而右下圖中顯 示物體表面起伏將影響相機影 像中每一像素點干涉波的發生 高度，依循此高度變化，求取 干涉零光程差位置，即可決定 出該像素點之待測物體高度， 進而求出待測物的整體表面輪 廓。
白光干涉儀
指導教授：朱志良 教授 研究生:林晉廷 劉丞哲
白光干涉儀
白光干涉儀(White Light Interferometers)為非 接觸式的3D顯微物體表面檢測儀器，主要是結合 傳統光學顯微鏡組與白光干涉組件，使得白光干 涉儀同時具備光學顯微檢測與白光干涉掃描物體 表面的功能，可進行顯微3D表面檢測、膜厚量測 與平面粗糙度量測等。
白光干涉仪是什么？
白光干涉仪是什么？白光干涉仪是一种光学轮廓仪，是一款用于对各种精密器件及材料表面进行亚纳米级测量的检测仪器。
它是以白光干涉技术为原理、结合精密Z向扫描模块、3D建模算法等对器件表面进行非接触式扫描并建立表面3D图像，通过系统软件对器件表面3D图像进行数据处理与分析，并获取反映器件表面质量的2D、3D参数，从而实现器件表面形貌3D测量的光学检测仪器。
白光干涉仪的功能非常强大！1)一体化操作的测量与分析软件，操作无须进行切换界面，预先设置好配置参数再进行测量，软件自动统计测量数据并提供数据报表导出功能，即可快速实现批量测量功能。
2)测量中提供自动多区域测量功能、批量测量、自动聚焦、自动调亮度等自动化功能。
3)测量中提供拼接测量功能。
4)分析中提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能，其中调整位置包括图像校平、镜像等功能；纠正包括空间滤波、修描、尖峰去噪等功能；滤波包括去除外形、标准滤波、过滤频谱等功能；提取包括提取区域和提取剖面等功能。
5)分析中提供粗糙度分析、几何轮廓分析、结构分析、频率分析、功能分析等五大分析功能，其中粗糙度分析包括依据国际标准的ISO4287的线粗糙度、ISO25178面粗糙度、ISO12781平整度等全参数分析功能；几何轮廓分析包括台阶高、距离、角度、曲率等特征测量和直线度、圆度形位公差评定等功能；结构分析包括孔洞体积和波谷深度等；频率分析包括纹理方向和频谱分析等功能；功能分析包括SK参数和体积参数等功能。
6)分析中同时提供一键分析和多文件分析等辅助分析功能，设置分析模板，结合测量中提供的自动测量和批量测量功能，可实现对小尺寸精密器件的批量测量并直接获取分析数据的功能。
白光干涉仪应用非常广泛！可广泛应用于半导体制造及封装工艺检测、3C电子玻璃屏及其精密配件、光学加工、微纳材料及制造、汽车零部件、MEMS器件等超精密加工行业及航空航天、国防军工、科研院所等领域中。
可测各类从超光滑到粗糙、低反射率到高反射率的物体表面，从纳米到微米级别工件的粗糙度、平整度、微观几何轮廓、曲率等，提供依据ISO/ASME/EUR/GBT四大国内外标准共计300余种2D、3D参数作为评价标准。
优可测白光干涉仪操作手册
优可测白光干涉仪操作手册
摘要：
1.优可测白光干涉仪概述
2.白光干涉仪的扫描原理和扫描范围
3.被测物的反射率和显示分辨率
4.白光干涉仪的优点
5.操作手册的主要内容
正文：
一、优可测白光干涉仪概述
优可测白光干涉仪是一种高精度的测量仪器，主要用于测量物体的表面形貌、厚度和折射率等参数。
该仪器采用白光干涉扫描原理，具有高精度、高稳定性和高可靠性等特点。
二、白光干涉仪的扫描原理和扫描范围
白光干涉仪的扫描原理是利用白光干涉条纹的可见度大、容易辨别的特点，通过检测干涉条纹的变化来实现对物体表面形貌的测量。
扫描范围可达100um，能够满足大部分测量需求。
三、被测物的反射率和显示分辨率
优可测白光干涉仪适用于0.02%~100% 的被测物反射率范围，显示分辨率高达0.001nm，能够实现高精度的测量。
四、白光干涉仪的优点
相较于激光干涉仪，白光干涉仪具有以下优点：
1.白光光谱宽，干涉长度短，干涉条纹可见度大，容易辨别o 度条纹，便于测量；
2.适用范围广，能够测量各种材料和表面形貌；
3.测量精度高，可达0.001nm；
4.稳定性和可靠性好，使用寿命长。
五、操作手册的主要内容
优可测白光干涉仪操作手册主要包括以下几个部分：
1.安装与连接：详细介绍了仪器的安装方法和连接线路；
2.操作步骤：包括开机、预热、测量、关机等操作流程；
3.测量原理与方法：阐述了白光干涉仪的测量原理和具体操作方法；
4.故障排除与维护：介绍了常见故障的排除方法和仪器的维护保养措施；
5.安全注意事项：提醒操作者注意安全，防止意外事故发生。
白光干涉仪(原理)
141nm
Glass
Character on the Glass
Flexible FPD Pattern(Gel Type)
碳纳米管
LGP Pattern
OLED 有机物蒸镀
PKG Substrate Inspection
Roughness, Diameter, Height, Width, Space (user defined base plane), etc
Max 270um（PZT扫描）
Max:7.2um/sec（1X-3X倍率可选）
Max:12um/sec（1X-5X倍率可选）
±3°（样品台倾斜） 0.2%@1σ
头部倾斜±6°（手动模式）头部倾斜±6°（自动模式）头部倾斜±9°（自动模式） WSI：0.5nm/PSI：0.1nm
0.2-4um（取决于物镜/视场放大镜倍率） 0.1%@1σ（标准样品8um）
三维测量技术比较
COMPARE
三维图像的比较
垂直分辨率
Optical
1mm
Triangulation
OPT: 光学三角测量
CSM: 共焦扫面显微镜
1um
CSM
PSI : 移向干涉测量法
WSI
1nm
PSI
AFM
WSI : 白光干涉法 AFM : 原子力显微镜
1nm
1um
1mm
垂直测量范围
根据测量技术特征
FPD Inspection
Build-up PCB Inspection
Post Spacer
RGB
Charater
Back Panel
Spray PR
Roughness Via Hole
光纤白光干涉传感器1
S = 2 nL 1 构成传感臂的光纤的光程长度 为 ，参考臂由长度略短的参考光纤L2 2nL2 + 2 X 和参考光纤端面与扫描镜形成的空气间隙X组成。所以参考臂光程 总和为
X = 2nL1 − (2nL2 + 2 X ) 在 位置附近，出现与下图2 类似的白光干涉条纹。其中零级条纹近似在干涉条纹的中央，具有 极大的振幅，对应于两臂光程精确相等处。当传感臂的光程在应变 或者周围环境温度变化的作用下导致光程变化时，传感器光程的变 ∆S = ∆(nL1 ) 化 可以通过测量中央零级条纹对应的反射 镜位置改变 ∆X 来获得。
光纤白光干涉传感器
主讲人 ：曹海娟
1.光纤白光干涉仪的原理 1.光纤白光干涉仪的原理
光纤白光干涉仪的原理图如下
传感臂L1
LED光源 反射率R1
2*2耦合器
镀膜光纤反射 端
反射率R2
X
PD探测器
L2参考臂
图1 光为参考和传感的两臂通过使用一个3dB的耦合器对光 进行了分路和合路，干涉仪的光程差通过一个扫描反射镜来改变。当 参考和传感两光之间的光程差小于光源相干长度的时候，就会产生一 个白光干涉图。当两光的光程差绝对相等时，光程精确匹配，干涉图 出现中央条纹，该中央条纹的位置可被精确的判断，因此可以实现绝 对测量。
X = X 2 − X 1 = nL0
(7.54)
LED光源 2*2 耦 合 器
传感臂L1
传感器L0 前 传 后 感 端
面
的 反 射
器
X
反 射 率 R2
D
器
L2
臂
X1 X2
4 光 传感
光
• •
当载荷（温度或应变）作用于传感器时，白光干涉中心条 纹的位置将发生移动，式（7.54）变成 （7.55） ′ ′ X = X 2 − X 1′ = (nL0 )
一文读懂白光干涉原理
一文读懂白光干涉原理一文读懂白光干涉原理在白光干涉中，光谱中各色光都有可能参加干涉，并将干涉光强叠加到最后形成的干涉图样上，因此在表面形貌测量中白光干涉形成的干涉条纹是由各色光干涉图样叠加形成的。
被测表面的深度不同，两束光的干涉光强不同，干涉条纹的对比度不同，组成干涉条纹的光谱成分也不同。
可见，在白光干涉表面形貌测量中，被测表面的深度信息被调制到干涉图样的强度、对比度及光谱成分等信息中，因此可利用干涉图样的强度、对比度以及光谱成分信息扩展深度测量范围。
1.干涉条纹扫描法干涉条纹扫描法扩展深度测量范围的理论根据是被测表面上各点深度不同所形成的干涉光强不同。
在双光束干涉显微镜中，如果从分束器到被测表面上某一点的距离等于从分束器到参考面的距离，那么对应的两束干涉光的光程差为0，所形成的干涉光强最小(或最大)。
如果用压电陶瓷(PZT)等微位移驱动器沿光轴方向移动样品台或参考镜进行扫描，那么干涉图样上每一点的强度将随着变化。
在扫描时，如果记录下或计算出被测面上每一点对应的干涉光强达到最小(或最大)时微位移驱动器的位置，那么在完成扫描后各点间的深度就能计算出来。
对于一个具体的干涉显微系统，用干涉条纹扫描法测量形貌，其深度测量范围与干涉光频谱成分有关，大小与干涉长度的一半相当；深度测量分辨率与干涉图样测量系统的分辨率有关，取决于A／D 转换器的位数，可达纳米量级；而测量精度则取决于微位移驱动器。
恰当的数据处理方法也可以提高分辨率以及测量精度。
2.干涉条纹对比度法在白光干涉中，两束相干光形成的干涉光强可表达成一般的形式：ΦΦ++=cos )(**2m S R S R I 式中，R 和S 是两束相干光的光强，Φ是与被测表面深度有关的位相，m 可看作是对比度，它与位相Φ干涉光频谱成分有关。
如果干涉图样没有剪切并且干涉光频谱曲线是平滑的，那么m 与位相之间或与被测表面深度之间存在着一一对应的关系。
当分束器到被测表面上某一点的距离等于分束器到参考面的距离时，值最大且近似等于1；当距离之差超过干涉光相干长度时，m 值最小，等于0。
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相位差
光强分布符合余弦规律
半 反 射 膜
两束光经反射折射后，同时到达分光镜上面的干涉板
从扩展光源 S发出的光射向平行平面透明薄板 P1。P1的后表面镀有半 反射膜，这个半反射膜把 S射来的光束，分成振幅近似相等的反射光 1 和透射光 2，故 P1称为分束板 。光束 1射向平面镜 M1；光束 2透过补偿 板P2射向平面镜 M2。M1和M2是在相互垂直 的两臂上放置的两个平面反 射镜，二者与P1上的半反射膜之间夹角为 450，所以，1、2两束光被 M1 和M2反射后又回到 P1的半反射膜上，再会集成一束光射向 E。由于这 两束光来自光源上同一点，因而是相干光，眼睛从 E处向 M1方向望去 ，可以观察到干涉图样。 P2是补偿板，它的作用是使 1、2两光束在玻 璃中经过的光程完全相同，为了使其材料和厚度与 P1完全相同，制作 时从同一块精密磨制的平板切开而成。 P2、P1平行放置。
静态干涉
通过测被测面与标准面干涉条纹分布及变形量求得试 样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差
动态干涉
通过测量干涉场上指定点的干涉条纹的移动或光程差 的变化量求得试样尺寸大小、位移量等
概述
分波前法
杨式双缝 干涉、双 孔干涉、 光栅干涉
波前 是指波的等相位面达到的空间
将一束光分成 不同比例的两 束光
通常结构复杂，对环 境要求较高
衍射光栅干涉 位移传感器
测量范围大，对使用环境 没有严格的要求，故可精 确计量PZT垂直进给
光路 图
干涉条纹仅出 现在有限空间
范围
作为干涉测量 仪器的基准
光程差为零 时光强最大
调整光程差， 确定位移量算 出各点相对高
度
显微 干涉 单元
垂直 扫描
距离高对应浅色区 距离低对应深色区
单色
波双
干涉 方程
I ( x, y) ? I1 ? I 2 ? 2 I1I 2 COS (?1 ? ?2 )
I 是光强
? 是光波的相位
? ? 是测量光束与参 考光束的相位差
?1 ? ?2 ? ? ? ,
? ? ?0, 2? ??
光程差 ? (?1 ? ?2)? 2?
机械 结构
1.底座 2.照明光源 3.立柱 4.手轮 5.步进电机 6.压电陶瓷及柔性铰链 D 8.衍射光栅计量单元
结构 单元
1.光学显微干涉单元 2.步进电机调焦单元 3.压电陶瓷扫描单元 4.衍射光栅计量单元 5.扫描控制和测量软 件
步进 电机 调焦 单元
步进电机
组 成
驱动光路
对焦 方式
自动对焦
CCD监视某像素点
的光强变化并进行 实时计算
手动对焦 慢 操作手轮观测条
纹的消失或出现
半自动对焦
PZT
扫描 单元
无间隙 抗干扰
不发热
结构紧凑
衍射 光栅
衍射ห้องสมุดไป่ตู้栅干涉计量单元
电感式
计量PZT扫 描步距和 扫描位移
微位移计 量法
电容式
激光 干涉
位 移 传 感
器
衍射光
栅干涉
各传 感器 对比
电感和电容式 位移传感器
激光干涉位移 传感器
测量精度高
较大的测量范围、较高的 分辨率和测量精度
测量范围小，不适合 在垂直扫描白光干涉 测量系统中
PBS
P透
偏振状态
S反
偏振分束器
机械 结构
整套测量设备由白光干涉垂直扫 描仪、气浮平台、控制箱和计算 机组成
干涉 仪原 理
光源
LED 点光 源
卤素灯
常见，但发热 量大，对系统 精度影响较大
LED
冷光源，可看 做点光源，比 较理想。
点光源
一个点向周围 空间均匀发光
扩散光源
干涉条纹的可 见度将降低
不同高度 的两个点
光强峰值 位置不同
峰值对应的 测量臂反映 高度差
核心内容 提取
白光干涉扫描技术
白光干涉是一种新型的表面形貌测量方法， 能实现对表面形貌的三维测量。它通过 扫描 定位被测表面各点的最佳干涉位置得到表面 各点相对高度，重构表面三维轮廓 ，实现对 物体三维形貌的测量。
单色光干涉
双光束干涉原理图（迈克尔逊干涉仪）
分波前 干涉法
空间不同两点的光波作干涉源实现干涉。由惠更斯 原理，空间任一闭合面都可作为次级波源，远处的 光波是次级波源光波的干涉叠加。
惠更斯 原理
波面上的每一点（面元）都 是一个次级球面波的子波源
概述
分振幅法
分振幅
当一束光投射到两种透明媒质的分界面上， 光能一部分反射，另一部分折射
实现方法
立方分束器、分光板、 薄膜分光镜、衍射光栅
干涉 条纹
光波的叠
加原理
相位
相长干涉 相消干涉
波动性
干涉 条纹
干涉条纹的数目与条纹图像取决于 采样平面与参考平面的相对倾角
最亮 点
对焦 最好
双光 束干 涉条 件
时间 相干 性
理想单色光源时间相
干性无穷大，意味着
一束光可相对于另一
束光通过不同的光程
进行延时仍发生干涉
时
光源
间
中心
相
波长
干 性
Lc ?
用透镜将 光束耦合 到单模光
纤中
点光源
用显微物 镜将光束 聚焦到小
孔
D ? 1.22? NA NA? nsin(?)
条纹 可见 度
两束光同偏振状态时 条纹可见度达到最大
正交偏振的两束光不会产生干涉
条纹可见度由 cos(? ) 决定
条纹 可见
度
相对光强度/振幅比
两束光强之比为1时，条纹可见度最大 V小于0.2时无法分辨
白光干涉仪介绍
汇报人： 学号： 时间：2015-11-13
目
录
概述
概述
光干涉技术---内容
概述
光干涉技术---特点
实时 性
概述
白光 干涉 仪的 发展
智能化 自动化
概述
干涉仪分 辨率由所 用光波长
决定
概述
接触式与非接触式测量仪对比
Stylus 触针式 二维测量 接触式 对质地较软或脆性工件有损伤
镜头
用物镜专 用的储存 盒
选择物镜的依据： 1、视场，确定测量的区域 2、光学分辨率，它能区分出的最小特征 3、倾斜度，它显示出怎样的曲面能够被测 量，特别是很粗的表面
白光 扫描 干涉
单色光干涉
白光 扫描 干涉
白光干涉
白光：光谱中包含整个可见光谱区域的光谱成分的光源 白光干涉时，各波长产生各自的干涉条纹
光程差为零，各波长零级条纹完全重合，光强最大
白光 扫描 干涉
白光与单色光对比
白光干涉的对比度随 光程差的增大而降低
寻找零光程差 位置的依据
工作时，干涉显微镜通过一个线性位置扫描器（常用 PZT） 驱动以改变测量臂的长度，在扫描过程中记录每一个像素 点的光强值，由此可得到一系列的白光干涉光强值。
白光 扫描 干涉
?2 c
??
光程差小于相干
长度，才会产生
干涉条纹
光谱带 宽
条纹 可见 度
条纹可见度介于0至1 当可见度V大于0.2时才可辨别出条纹
条纹 可见 度
辐照度 I1 ? I2
可见度
时间相干性
条纹可见 度降低
提高
减少双光 束光程差 （=0）
对光源光 谱滤波
条纹 可见 度
空间相干性引起条纹可见度的退化
光源的空间滤波改善空间相干性
白光干涉仪 三维测量 非接触式 对任何工件均为无损测量
精度较低，分辨率为微米级 几何路径 国际和国家标准完善 测量速度较慢
精度高，分辨率可达纳米级 光学路径 标准尚不完善 测量速度快
概
述
干涉仪分类
按光波分光的 按相干光束传播路径 按用途分 方法
分振幅式 分波阵面式
共程干涉 非共程干涉
静态干涉 动态干涉