白光干涉測量技術（WLI）主要用于對各種物體表面三維形貌進行納米級精度的測量，其以寬帶光源為核心，經分光形成測量與參考光路，借光程差調控產生干涉條紋，結合軸向掃描與包絡峰值算法實現高精度測量，在精密加工、半導體與微電子行業、精密光學行業、材料科學行業等中得到了廣泛應用。

白光干涉技術工作原理

白光干涉技術的理論基礎是光的干涉現象，但其獨特之處在于使用了寬帶光源，與激光的單色性不同，白光的光譜較寬，包含了各個波長的單色光波段。當白光進入干涉物鏡后，被分光鏡分為兩路：一路射向待測樣品表面（測量光臂），另一路進入內部的參考鏡（參考光臂）。兩路光反射回來后重新匯合，發生干涉。

白光干涉顯微鏡工作原理示意圖

在光程差為零的位置附近，各個波長的條紋信號都為波峰，彼此加成，形成最Z明亮的干涉條紋級，稱為零級條紋，并且零光程差點處的光強信號最Z大。隨著光程差遞增，不同波長的單色光干涉慢慢錯開，抵消的部分逐漸變多，疊加的部分逐漸變少，使得總的條紋光強信號量逐漸降低直至趨于水平不再變化，此時，干涉條紋完全消失。

 白光干涉信號曲線

在測量時，物鏡或樣品臺會進行精密的軸向（Z方向）掃描。探測器會同時采集到各個高度的干涉條紋圖，對單個像素的光強信號進行提取，就可以獲得如圖所示的干涉條紋曲線，曲線的峰值位置即為該點的相應高度。

 白光測量原理

通過精確計算得到區域中每個像素點處于零級干涉條紋時所在的位置，從而還原出樣品的的三維形貌圖。

白光干涉顯微鏡的核心部件-干涉物鏡

白光干涉顯微鏡的性能很大程度上取決于其核心部件—干涉物鏡。它是在無限遠校正的明場物鏡基礎上，集成了分光鏡和參考鏡的干涉系統。典型的干涉物鏡裝置主要分為以下三種類型：

邁克爾遜物鏡：顯微物鏡出射的光經過分光棱鏡后，一部分會聚到參考平面，形成參考光路；另一部分會聚到待測樣品上，兩束光在返回時發生干涉。

米勞物鏡：顯微物鏡出射的光線入射到分光片表面后，一部分被反射回參考鏡表面并經參考鏡中心高反膜沿原路返回至光路中作為參考光；另一路入射光透過分光鏡會聚在待測樣品表面，經待測樣品表面反射回光路，兩束光相遇發生干涉。

林尼克物鏡：光束先經過立方體分光棱鏡分光，再分別經過兩個完全相同的物鏡分別聚焦在參考面和待測物體上，兩束返回光形成干涉。

 （a）邁克爾遜物鏡；（b）米勞物鏡；（c）林尼克物鏡

白光干涉顯微鏡測量流程

白光干涉顯微鏡的操作非常簡便，無需復雜的樣品制備。其基本流程如下：

放置與粗調：將樣品置于物鏡下方，如同操作普通光學顯微鏡一樣，通過垂直移動初步找到樣品表面。

尋找掃描范圍：通過手動或自動方式，確定待測表面的最Z高點和最Z低點，確保覆蓋整個起伏范圍。

自動掃描與數據采集：實際測量時，系統驅動物鏡或者樣品沿Z軸方向進行精密移動，每隔固定的距離探測器同時采集各個高度的干涉條紋圖片，直到設置的掃描范圍結束。

數據分析與重建：通過對干涉圖片進行處理分析，提取出每個像素干涉曲線中信號最Z強的位置，從而重建出高精度的三維表面形貌數據。

 光刻樣品的三維形貌

白光干涉顯微鏡核心應用場景

白光干涉顯微鏡的應用圍繞著對樣品表面的三維形貌、粗糙度、臺階高度、平整度等參數的精J準測量。

半導體與微電子制造

晶圓與芯片檢測：測量化學機械拋光后的晶圓表面粗糙度、刻蝕工藝產生的臺階高度、薄膜厚度（如果透明）以及圖形化結構的尺寸（如線寬、深度）。

MEMS（微機電系統）：理想用于測量微齒輪、微彈簧、加速度計等MEMS器件的三維形貌、運動結構的靜態高度差以及殘余應力引起的翹曲。由于其非接觸性，不會對微小結構造成損傷。

封裝與鍵合：檢測焊球的高度、共面性，以及芯片與基板鍵合后的平面度和間隙。

透明薄膜測量：通過分析來自薄膜上下表面的反射光產生的干涉信號，可以精確測量透明薄膜的厚度。如測量光刻膠層、手機屏幕保護圖層等。

MEMS芯片表面三維形貌和粗糙度測量圖

精密加工與機械工程

表面粗糙度分析：替代接觸式輪廓儀，對發動機缸體、軸承、齒輪、液壓元件等關鍵零部件的表面進行快速、非破壞性的粗糙度測量。

缺陷分析：定量分析劃痕、凹坑、磨損痕跡的深度、寬度和體積，為失效分析提供數據支持。

涂層與鍍層：測量涂層的厚度、涂層均勻性、分析涂層本身的粗糙度等，確保發揮其預期的特殊功能。

 鑄造件和鈑金件表面三維形貌測量圖

精密光學行業

光學元件的面型分析：測量透鏡、棱鏡、反射鏡等元件的表面形狀和面形精度。

光學元件表面粗糙度與缺陷檢測：用來檢測表面粗糙度、劃痕的深度和寬度等以及拋光工藝留下的紋理等

薄膜厚度與均勻性：用來測量光學元件上鍍膜的磨蹭厚度和均勻性

微光學元件的表征：適用于測量微透鏡陣列、衍射光學元件、菲涅爾透鏡的曲率半徑、矢高和輪廓形狀。

反射鏡表面劃痕和微透鏡陣列表面三維形貌測量圖

材料科學

新材料表征：評估不同制備工藝（如濺射、CVD、3D打?。┫虏牧媳砻娴拇植诙?、顆粒度、孔隙率。

摩擦學與磨損測試：在可控的摩擦磨損實驗前后，對材料表面進行三維形貌測量，量化磨損量。

表面處理效果評估：比較拋光、噴砂、蝕刻等處理前后的表面形貌變化。

 微流道高度和寬度測量結果數據

MV-1000神影系列 3D顯微鏡

MV-1000神影系列 3D顯微鏡結合白光干涉、景深融合、共聚焦和明場觀察等不同觀察模式，依靠高精度掃描和算法，可完成從超光滑到粗糙、從低反射率到高反射率、從納米級到毫米級尺度的物體表面形貌分析。

設備測量包含粗糙度、臺階高度、面形輪廓和曲率等多種參數，結合托托自研的三維表面形貌分析軟件，可實現快速高質量的數據可視化輸出，為研究人員提升科研效率與數據分析的可靠性。

白光干涉技術巧妙地將傳統顯微鏡的成像能力與光學干涉的極高精度相結合，成為一種功能強大、應用廣泛的三維表面計量工具。它不僅提供了無與倫比的垂直分辨率，還能適應從光滑到粗糙、從微小到龐大、從單一材料到復雜結構的各種測量挑戰。隨著自動化、算法優化和標準化（如ISO 25178-604中的相干掃描干涉法CSI）的不斷發展，白光干涉技術必將在高端制造和質量控制領域持續發揮其不可替代的核心作用。