Сканер белого света ( WLS ) — это устройство для выполнения измерений высоты поверхности объекта с использованием когерентной сканирующей интерферометрии ( CSI ) со спектрально-широкополосным освещением «белым светом». Различные конфигурации сканирующего интерферометра могут использоваться для измерения макроскопических объектов с профилями поверхности, измеряемыми в сантиметровом диапазоне, до микроскопических объектов с профилями поверхности, измеряемыми в микрометровом диапазоне. Для крупномасштабных неинтерферометрических измерительных систем см. 3D-сканер структурированного света .
Вертикальная сканирующая интерферометрия является примером низкокогерентной интерферометрии, которая использует низкую когерентность белого света. Интерференция будет достигнута только тогда, когда задержки длины пути интерферометра будут согласованы в пределах времени когерентности источника света. VSI контролирует контраст полос, а не форму полос.
На рис. 2 показан интерферометр Тваймана–Грина , настроенный на сканирование макроскопического объекта белым светом. Свет от тестового образца смешивается со светом, отраженным от опорного зеркала, образуя интерференционную картину. Полосы появляются на изображении ПЗС только там, где оптические длины пути отличаются менее чем на половину длины когерентности источника света, что обычно составляет порядка микрометров. Интерференционный сигнал (коррелограмма) регистрируется и анализируется по мере сканирования либо образца, либо опорного зеркала. Фокусное положение любой конкретной точки на поверхности образца соответствует точке максимального контраста полос (т. е. там, где модуляция коррелограммы наибольшая).
Рис. 3 иллюстрирует интерферометрический микроскоп белого света, использующий интерферометр Мирау в объективе. Другие формы интерферометра, используемые с белым светом, включают интерферометр Майкельсона (для объективов с малым увеличением, где опорное зеркало в объективе Мирау будет слишком сильно перекрывать апертуру) и интерферометр Линника (для объективов с большим увеличением и ограниченным рабочим расстоянием). [1] Объектив (или, альтернативно, образец) перемещается вертикально по всему диапазону высоты образца, и для каждого пикселя находится положение максимального контраста полос. [2] [3]
Главное преимущество низкокогерентной интерферометрии заключается в том, что можно проектировать системы, которые не страдают от неоднозначности 2 пи когерентной интерферометрии, [4] [5] [6] и, как видно на рис. 1, который сканирует объем 180 мкм × 140 мкм × 10 мкм, он хорошо подходит для профилирования ступеней и шероховатых поверхностей. Осевое разрешение системы определяется длиной когерентности источника света и обычно находится в микрометровом диапазоне. [7] [8] [9] Промышленные приложения включают метрологию поверхности в процессе производства , измерение шероховатости, метрологию поверхности 3D в труднодоступных местах и в агрессивных средах, профилометрию поверхностей с высоким соотношением сторон (канавки, каналы, отверстия) и измерение толщины пленки (полупроводниковая и оптическая промышленность и т. д.). [10]
Системы сканирования интерферометрии белого света (WLS) захватывают данные об интенсивности в ряде положений вдоль вертикальной оси , определяя, где расположена поверхность, используя форму интерферограммы белого света, локализованную фазу интерферограммы или комбинацию формы и фазы. Интерферограмма белого света фактически состоит из суперпозиции полос, генерируемых несколькими длинами волн, получая пиковый контраст полос как функцию положения сканирования, то есть красная часть объектного луча интерферирует с красной частью опорного луча , синяя интерферирует с синей и так далее. В системе WLS интерферометр изображения сканируется вертикально для изменения оптической разности хода . Во время этого процесса в каждом пикселе в поле зрения прибора формируется серия интерференционных картин . Это приводит к интерференционной функции, при этом интерференция изменяется как функция оптической разности хода. Данные хранятся в цифровом виде и обрабатываются различными способами в зависимости от производителя системы, включая преобразование Фурье в частотное пространство, применение методов кросс-корреляции или анализ в пространственной области.
Если используется преобразование Фурье, исходные данные интенсивности выражаются в терминах фазы интерференции как функции волнового числа. Волновое число k является представлением длины волны в области пространственных частот, определяемой как k = 2π/λ. Если фаза отображается в зависимости от волнового числа, наклон функции соответствует относительному изменению оптической разности пути групповой скорости D G на D h = D G /2n G , где n G — показатель преломления групповой скорости . Если этот расчет выполняется для каждого пикселя, из данных возникает трехмерная карта высот поверхности.
В реальном процессе измерения оптическая разность хода постоянно увеличивается за счет вертикального сканирования объектива с использованием прецизионного механического столика или пьезоэлектрического позиционера. Данные об интерференции фиксируются на каждом этапе сканирования. По сути, интерферограмма фиксируется как функция вертикального положения для каждого пикселя в матрице детектора. Чтобы просеять большой объем данных, полученных в ходе длительных сканирований, можно использовать множество различных методов. Большинство методов позволяют прибору отбрасывать необработанные данные , которые не демонстрируют достаточного отношения сигнал/шум. Данные об интенсивности как функции оптической разности хода обрабатываются и преобразуются в информацию о высоте образца.