低噪声干涉测量技术使高精度三维表面表征成为可能

采用白光干涉法的光学轮廓仪是精密三维表面表征的最精确和最灵活的测量工具之一。从数据存储读写头或发动机气缸壁的测量，到油漆和粘合剂的干燥速率表征，半导体线宽和间距分析，以及医疗设备计量，它们在各种各样的工业应用中都是工具。

高坡面和粗糙度的挑战

任何光学测量的挑战之一是描述任何具有陡峭角度的物体。光学系统的视场越大，其数值孔径就越小。通过显微镜物镜照射到表面的光必须再次收集到相机上聚焦，以处理信息并创建所需的三维表面图。

从比显微镜物镜所接受的角度更高的表面反射的光不能被光学系统收集，使精确测量成为不可能。这种计量限制对陡峭和非常粗糙的表面都有影响。陡峭的表面，如透镜、光栅、微流体设备和滚珠轴承可能有很大的斜坡区域，不能将光反射回光学系统。粗糙表面也包含许多局部斜坡，一般来说，相对于光学而言，平面位置较少。因此，很多光线都没有被物镜收集到，因此产生的数据要么有噪声，要么完全缺失。表1显示了各种常见干涉显微镜物镜的理论最大收集角。

表1．干涉测量物镜在光滑表面上的典型放大率、数值孔径和斜率

幸运的是，表1中的限制严格适用于非常光滑的表面，从一个方向照射到样品的所有光线都在一个方向反射出去。这样的表面通常在视觉上看起来很光滑，在数值上表面粗糙度小于10纳米。许多表面，尤其是加工过的金属表面，并不是那么光滑，从一个角度照射到它们的光线会以不同的角度反射。在这些粗糙的表面上，显微镜可以收集散射光，如果它超过系统的信噪比，就可以进行精确和定量的表面计量。

图1为陡峭的光滑和粗糙的表面绘制了光路图。对于光滑的表面，从显微镜中射出的光与入射光的相对角度相同，且强度相同。对于粗糙的表面，一些离开的光和进入的光以相同的相对角度离开，但强度较小，因为大部分的光分散在许多其他角度。

图1．一个光滑的表面(左)将以相同的相对角度反射所有入射光。一个粗糙的表面(右)会以这种方式反射一些光，但也会在其他角度散射大量的光。

最大化的信号

Bruker最新一代光学轮廓仪利用先进的LED光源、优越的摄像头、精密扫描仪和复杂的降噪电子设备和算法，最大限度地提高其信噪比。目前的系统的噪音下限比上一代产品低两倍以上。这使得显微镜物镜能够收集到非常少量的光，从而在表面上产生良好的测量性能。

图2显示了用一个20X物镜测量螺纹，理论斜率极限约为17度。在一张图像中，多个磁场被缝合在一起，长度超过4毫米。超过63度斜度的螺纹可以精确测量，因为仪器的低噪声允许有效收集少量散射光，用于精确计量。使用这种配置，50X的物镜可以实现超过70度的斜度，而即使是5X的物镜也可以实现30度的大部分数据，有些数据甚至可以达到50度以上。

图2．上图:测量一个10mm螺距螺钉显示超过63度的斜度，甚至可以用20X放大镜测量。底部:使用超过1mm2视场的5X物镜测量一个加工过的圆柱体;近连续数据可达30度，零星数据可达50度。

对于粗糙表面，改进的信号噪声能力意味着即使在极其粗糙的表面上也能收集更多的数据。图3展示了在两种非常粗糙的表面上可以获得的数据，一种是平均粗糙度约为4微米的陶瓷，另一种是平均粗糙度超过7微米的CMP抛光垫。采用20X物镜和0.55X场转换透镜，获得侧面约0.5mm的视场。超过95%的陶瓷和超过70%的衬垫表面积实现了有效的测量数据，允许在相当大的领域进行快速、准确和可重复的表征。图4中的2D轨迹说明了局部坡度如何显著超过16.7度最大角度的理论最大坡度。50度以上的角是测量的。

图3．陶瓷(上)和抛光垫(下)的粗糙表面计量，视野0.42mm x 0.56mm。

图4．陶瓷部分的2D痕迹显示局部坡度超过50度，这远远高于该放大物镜规定的17度限制。

结论

干涉光学轮廓仪可以在非常大的范围内实现高水平和垂直分辨率的测量。使用低噪声系统，从陡峭或非常粗糙表面散射的光可以被收集并用于精确的表面表征。70度以上的斜坡是可以测量的，粗糙度在10微米量级且局部坡度非常高的表面也可以被描述出来。灵活的配置和各种客观的放大率和选项，使这些仪器能够配置到最适合从研究到批量生产部件鉴定的需求。在坡度、速度、重复性和精度方面，干涉光学轮廓仪是当今最灵活、最有效的测量工具。

这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。亚博网站下载

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