三维白光干涉轮廓仪的原理、结构及关键技术研究

　　三维白光干涉轮廓仪是一种基于光学干涉原理的非接触式表面形貌测量仪器，其核心原理是通过分析白光干涉条纹的相位变化实现亚纳米级纵向分辨率。当照明光束经分光镜分为两束后，分别投射至样品表面与参考镜表面，反射光在CCD相机感光面叠加形成明暗相间的干涉条纹。由于白光光谱范围宽，干涉条纹仅在两束光光程差接近零时呈现高对比度，通过扫描过程中实时捕捉干涉条纹的峰值位置，结合压电陶瓷驱动的垂直位移系统，可精确计算样品表面各点的相对高度，最终通过三维重建算法生成表面形貌数据。

　　在结构方面，该仪器采用模块化设计，主要包括光学干涉模块、精密扫描模块与数据处理模块。光学干涉模块采用Mirau型或Linnik型干涉物镜，确保参考光与测量光共路传输以降低环境干扰；精密扫描模块通过压电陶瓷实现0-150μm范围内的纳米级垂直位移，配合步进电机扩展至15mm测量范围，满足从纳米级粗糙度到毫米级台阶高度的多尺度检测需求；数据处理模块集成干涉条纹分析算法与三维重建引擎，可自动提取表面粗糙度（Ra≤0.1nm）、台阶高度等参数，并支持ISO25178标准下的形貌分析。

　　关键技术突破集中于垂直扫描精度与抗干扰能力。例如，采用闭环控制的压电陶瓷驱动技术，结合高线性度位移传感器，将Z向重复定位精度提升至0.01nm（RMS）；针对低反射率表面，通过优化干涉物镜数值孔径与光源光谱分布，使反射率兼容范围扩展至1%-100%；在复杂表面测量中，引入倾斜/俯仰光学头补偿技术，有效降低表面坡度对干涉信号的影响，提升台阶测试重复性至<0.1%（@1σ）。这些技术进展使其在半导体晶圆减薄、光学透镜抛光、MEMS器件表征等领域成为关键检测设备。