光学与光子学
白光干涉测量原理:用短相干光测表面形貌
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一句话结论:白光只在零光程差附近产生高对比度条纹;扫描包络定位条纹级数,相位补出纳米级高度。
从一张表面形貌图说起

图 1:EN AW-5182 铝合金板材表面的白光干涉显微图(左)与对应的三维高度图(右)。右图颜色表示高度,不是材料本色;两图来自同一测量区域。
初看这张图,左边像一张放大的金属表面照片,右边像把同一块表面做成了地形模型。右边的高低起伏来自逐像素计算,并非相机直接"看"到的立体效果:仪器记录每个像素在垂直扫描中的干涉信号,再从信号里找零光程差的位置。左图能看到加工留下的微观纹理,右图把同一区域的相对高度映射成颜色;颜色标尺读的是高度,不是材料本身的颜色。
一台普通显微镜只能把光强分布投到相机上,明暗对比再强,也不直接等于高度。要把光强变成高度,必须让光程差成为一个可以扫描、可以读出的变量。白光干涉(white light interferometry,WLI)的做法是:用光谱较宽的光源,把明显干涉限制在零光程差附近的一小段范围内,再让参考臂或样品沿 z 轴扫描。每个像素扫过这段范围时,记录一条干涉信号;信号包络的峰值位置,就是该点的高度。
这里先把两个名称放在一起。相干扫描干涉(coherence scanning interferometry,CSI)是这类方法的统称,它利用光程扫描中干涉条纹的定域来测表面;白光干涉是 CSI 的一种常见实现,因为可见波段的宽带光源容易获得。后文说"白光干涉"时,指的是用短相干可见光做 CSI 的具体配置;说"CSI"时,强调的是"扫描光程、找干涉定域"这套测量机制。
白光条纹为什么只在零光程差附近出现
把一块光学平晶压在另一块平晶上,中间留一层极薄的空气楔,用绿光照射,视场里会出现一组细密的条纹。换成白炽灯,条纹并没有完全消失,而是只剩下少数几条,并且带有颜色。图 2 是同一类检测的照片:绿光(532 nm)下条纹多而清晰,白光下条纹集中在很小的区域内,边缘逐渐褪成彩色。

图 2:光学平晶检测中的干涉条纹。绿光(532 nm)条纹多而清晰;白光条纹只在很小的一段光程差内出现,条数少并带彩色。条纹弯曲反映表面与平晶之间的面形偏差。
条纹变少,原因在光源的光谱宽度。干涉要求参与叠加的两束光来自同一段波列,光程差不能超过波列的长度,这个长度叫相干长度 \(L_c\)。对中心波长 \(\lambda_0\)、光谱带宽 \(\Delta\lambda\) 的光源,相干长度可以按
做量级估计。取 \(\lambda_0=600\) nm、\(\Delta\lambda=100\) nm,得到 \(L_c\approx3.6\) μm;把带宽缩到 40 nm,\(L_c\) 约 9 μm;把带宽加到 200 nm,\(L_c\) 降到约 1.8 μm。这个式子里的系数会随谱线形状和"相干长度"的定义变化,但微米级的量级不变。
白光包含许多波长,每个波长各自有一套干涉条纹。相邻亮纹之间的光程差变化是 \(\lambda\),换到高度坐标就是 \(\lambda/2\);波长越短,条纹越密。在零光程差处,所有波长的亮纹重合,叠加成一条白色亮纹。离开零光程差后,各波长的相位差按 \(2\pi\Delta L/\lambda\) 各自推进,红光和蓝光的亮纹很快错开:某一位置对红光是加强,对蓝光可能已经接近抵消。不同波长互相平均,条纹对比度迅速下降,所以就只剩下零光程差附近的几条彩色条纹。
这也解释了白光和激光散斑的区别。激光的谱线窄,相干长度长,粗糙表面上各个散射点可以在很大光程差范围内保持固定相位关系,形成稳定的颗粒状散斑;换成宽带白光,不同波长的散斑图样尺寸和位置都不同,叠加后颗粒感被平均掉。白光干涉利用的不是散斑,而是"短相干"带来的另一个结果:只有零光程差附近才有一小段高对比度信号,包络峰值因此可以当作零光程差的标记。代价是这段范围很短,必须扫描才能覆盖整个高度区间。
把条纹包络变成高度:扫描与解调
图 3 是一种 Twyman-Green 型白光扫描干涉光路。白光光源发出的光经准直透镜变成平行光,分束器把它分成两路:一路到参考平镜,另一路经物镜聚焦到样品表面。两路光返回后在分束器合束,落到 CCD(charge-coupled device,电荷耦合器件)相机上。测量时,参考镜或样品台沿 z 轴移动,两臂的光程差随之改变;当某一点的光程差接近零时,该点在相机上对应的像素才出现高对比度条纹。

图 3:Twyman-Green 型白光扫描干涉光路。白光经准直后由分束器分成参考臂和测量臂,参考镜或样品沿 z 轴扫描;两臂光程差接近零时,CCD 上才出现高对比度条纹。
把单个像素记录的强度写成高度坐标 \(h\) 的函数。\(h\) 是扫描位置相对零光程差的位移,反射式光路的光程差是 \(2h\):
这里 \(I_0\) 是两臂强度之和,\(E(h)\) 是包络;\(h_c\) 是包络在高度坐标上的 \(1/e\) 半宽。光程差上的相干长度 \(L_c\approx\lambda_0^2/\Delta\lambda=3.6\) μm,对应高度坐标 \(h_c=L_c/2\approx1.8\) μm:光在测量臂往返一次,高度改变 1 μm,光程差改变 2 μm。余弦里的 \(4\pi h/\lambda_0\) 也是这个往返因子的结果;若把横轴换成光程差,条纹周期会变成 \(\lambda_0\),高度周期仍是 \(\lambda_0/2\)。
图 4 把光谱近似为高斯型,按这个式子画出了 \(\lambda_0=600\) nm、\(h_c=1.8\) μm 的信号。上图覆盖 ±12 μm 的高度扫描范围,包络只在零光程差附近有显著幅度;下图放大到 ±1.5 μm,可以看到高度上的条纹周期是 \(\lambda_0/2=300\) nm。包络峰值对应 \(h=0\),也就是参考臂和测量臂光程相等的位置。实际仪器不会只画一条曲线,而是对每个像素采样一条,再用包络检测、曲线拟合或相移算法把峰值和相位提取出来。

图 4:按高斯谱计算的白光干涉信号。(a) 整个 ±12 μm 高度扫描范围,包络只在零光程差附近有显著幅度;(b) 零光程差附近放大,高度条纹周期为 \(\lambda_0/2=300\) nm。计算取 \(\lambda_0=600\) nm、高度坐标包络 \(1/e\) 半宽 \(h_c=1.8\) μm(对应光程差相干长度 \(L_c=3.6\) μm)。
只有包络还不够。包络峰值的位置受采样步距、噪声和表面倾斜影响,具体不确定度取决于相干长度、扫描步距和信噪比;它真正的作用是告诉你"这是第几级条纹",把高度的整数部分定下来。一个条纹对应的高度变化是
600 nm 下是 300 nm。若只看相位,高度每增加 300 nm,相位就转一圈,读数重复一次,无法区分 1.0 μm 和 0.1 μm。包络先把高度定在 1.0 μm 附近,相位再补上不足一个条纹的小数部分,两者合起来才给出完整高度。
举个具体的台阶算例。设台阶高度 \(h=1.0\) μm,\(\lambda_0=600\) nm,\(\Delta\lambda=100\) nm,取远离台阶边缘的平台像素。相位差为
也就是 3.333 个条纹。只看相位,小数部分是 0.333 个条纹,折合 0.1 μm;包络峰值给出 1.0 μm 附近的位置,把整数部分补成 3 个条纹(0.9 μm),再加上 0.1 μm,得到 1.0 μm。这个例子说明包络和相位不是重复测量,而是分别负责"粗定位"和"细读数"。
分辨率和量程:两组互相牵制的参数
CSI 的分辨率至少要分两个方向看。轴向定位的锐度由相干包络宽度决定,横向分辨率由物镜的衍射极限决定;两者和量程之间都存在取舍。
先看轴向。\(L_c\) 越短,包络越窄,零光程差的位置越容易被单独分离出来;但包络太窄,扫描步距就必须更细,振动和采样不足也更容易让峰值定位出错。带宽从 100 nm 加到 200 nm,\(L_c\) 从 3.6 μm 降到 1.8 μm,轴向定域更紧,两个靠近的表面更容易分开,代价是采样要求更高;反过来,带宽 40 nm 时 \(L_c\) 约 9 μm,包络更宽,对步距和振动不那么敏感,但两个靠近的表面更容易在扫描信号里重叠。这个取舍不是"带宽越大越好"。
横向看衍射。物镜的数值孔径(numerical aperture,NA)定义为 \(\mathrm{NA}=n\sin\alpha\),\(\alpha\) 是物镜能接收的最大半角。显微镜的横向分辨率受圆孔衍射限制,按瑞利判据,量级为 \(0.61\lambda/\mathrm{NA}\);600 nm、NA=0.3 时约 1.22 μm,NA=0.5 时约 0.73 μm。提高 NA 能把横向细节分得更开,也能接收更大倾角的返回光,从而测更陡的斜面;代价是工作距离和景深变短,样品稍微离焦或倾斜,条纹对比度就下降。
扫描参数也会进入结果。设垂直扫描范围 20 μm、步距 100 nm,每个像素有 201 个采样点;步距 50 nm 则有 401 个点。步距要同时满足包络和条纹的采样:一个条纹只有 300 nm,步距太大会漏掉峰值,包络拟合也会偏。扫描速度典型在 5–100 mm/s,速度提高会缩短采集时间,但可能欠采样包络,垂直分辨率会受影响。
表 1:单色激光干涉与白光/低相干干涉的读数方式对比。据文末参考资料 1–5 的原理与参数整理。
| 项目 | 单色激光干涉 | 白光/低相干干涉 |
|---|---|---|
| 相干长度 | 长,可达厘米到米 | 短,典型微米量级 |
| 条纹出现范围 | 很大的光程差范围 | 零光程差附近 |
| 条纹级数 | 需连续跟踪或相位解包 | 包络直接定位零级 |
| 高度量程 | 受解包算法和导轨行程限制 | 受垂直扫描行程限制 |
| 散斑 | 窄带光散斑明显,是噪声来源 | 多波长平均,散斑减弱 |
| 典型任务 | 位移、长度、振动 | 表面形貌、台阶、膜厚 |
还需要区分"相位读出精度"和"轴向定位范围"。若相位能稳定读到 1/100 个条纹,300 nm 的条纹周期对应 3 nm 的高度;读到 1/1000 个条纹,对应 0.3 nm。这两个数字是读出假设,不是仪器保证值;实际不确定度还要叠加扫描非线性、振动、色散和校准误差。
读图与误差:台阶、粗糙度、透明膜
回到图 1 的高度图。右侧的颜色表示每个像素的相对高度,不是"材质";读图时先看颜色标尺的范围,再看空间尺度。高度图里很小的颜色差异,可能对应几十纳米,也可能对应几微米,取决于标尺。把显微纹理和高度图对照,能看出哪些是真实起伏,哪些是光学系统或算法留下的纹理。
台阶是最常见的校准和验证对象。用 1.0 μm 台阶做例子:扫描范围要覆盖台阶上下两个平台,步距要细到能采到包络和条纹;取平台区域拟合两个平面,高度差就是台阶值。台阶边缘是难点。若台阶高度小于包络在高度上的特征宽度,边缘附近会出现"batwing"(蝙蝠翼)伪影:上表面和下表面的反射光在边缘衍射后混在一起,包络峰被拉偏,读数在边缘附近不可靠。正确做法是避开边缘取平台,或者用带边缘模型的反演算法;不能把边缘的尖峰当成真实台阶。
另一个误差来源是相位与相干结合时的 2π 跳变。干涉仪的场依赖色散、表面倾斜和膜层会让不同角度的光走过不同的有效光程,相位在相邻区域可能突然跳一个 2π,高度图上出现"鬼台阶"(ghost step)或规则间隔的跳变。厂商会用校准和算法修正来抑制这类误差,但测量陡斜面或大视场边缘时仍要检查。
粗糙表面还会遇到"看起来更糙"的问题。CSI 的横向分辨率有限,小于光斑的细节被平均;表面倾斜和多次散射也会让包络偏移。文献指出 CSI 可能高估粗糙度,和触针或原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)对比时要先确认滤波、采样长度和横向分辨率是否一致。把不同仪器的轮廓算术平均偏差 Ra 或面域算术平均高度 Sa 直接比较,而不交代这些条件,数字没有可比性。
透明膜更麻烦。膜的上表面和下表面都会反射,扫描信号里至少有两组反射参与;膜内多次反射、色散和相位畸变会让包络不再是简单的单峰。膜厚和上表面高度会耦合在一起,单看一组信号难以唯一分开。常见的做法是建立膜层模型,或者再加一套反射测量,把膜厚和表面高度分开。遇到未知膜层,先把样品当"有膜"处理,比直接按单峰读数更稳妥。
适用边界:什么时候选白光干涉
白光干涉适合测什么,可以从三个条件判断。
第一,你要的是表面高度,而不是单纯的位移。CSI 的零光程差是一个固定参考,扫描到哪个高度,包络就在哪个位置出现;它不需要像单色激光干涉那样从某个起点连续跟踪条纹。测台阶、粗糙度、微机电系统(micro-electromechanical systems,MEMS)结构、半导体图形和光学表面,都是这个逻辑。反过来,如果任务是大行程的位移测量、振动波形或长度基准,长相干激光干涉更直接,量程也更容易做大。
第二,表面不能太陡,也不能太深。物镜的 NA 决定了能接收的最大返回角;超过这个角度,返回光进不了物镜,条纹对比度下降,高度图出现空洞。深槽、陡壁和强散射表面还会带来阴影和多次散射。CSI 对平滑到中等粗糙的表面较稳,表面太粗时包络会变形,粗糙度参数也会偏高。
第三,膜层和环境要可控。透明膜需要模型或额外测量;振动、气流和温度梯度会让包络峰值漂移,扫描期间的样品漂移会直接进入高度。仪器通常要求隔振、恒温和避免气流,测量前用已知台阶做垂直校准。校准高度应尽量接近日常测量高度,否则扫描台的线性误差会放大。
把这些条件放在一起,白光干涉的定位就很清楚:它用短相干把"第几级条纹"这个难题变成"零光程差在哪里"的局部问题,再用扫描把局部问题扩展成全场高度。它受限的地方,往往不是干涉本身,而是样品超出了物镜的接受角、膜层模型不成立,或者环境让扫描期间的相位无法保持稳定。
参考资料
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- Wikipedia:Coherence scanning interferometry,访问日期 2026-10-18:https://en.wikipedia.org/wiki/Coherence_scanning_interferometry
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- OpenStax, Rice University. University Physics Volume 3, §4.5 Circular Apertures and Resolution,访问日期 2026-10-18:https://openstax.org/books/university-physics-volume-3/pages/4-5-circular-apertures-and-resolution
- Wikimedia Commons:File:Optical flat test with green and white light.jpg(CC0,作者 Zaereth),访问日期 2026-10-18:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Optical_flat_test_with_green_and_white_light.jpg
- Wikimedia Commons:File:Twyman-Green interferometer set up as white light scanner.svg(CC BY-SA 3.0,作者 User:Stigmatella aurantiaca),访问日期 2026-10-18:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Twyman-Green_interferometer_set_up_as_white_light_scanner.svg
- Wikimedia Commons:File:EDT Surface of EN AW-5182 Aluminum Sheet – White Light Interferometry and 3D Visualization.png(CC BY 4.0,作者 Sung-Min Wi、Marvin Alf),访问日期 2026-10-18:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EDT_Surface_of_EN_AW-5182_Aluminum_Sheet_%E2%80%93_White_Light_Interferometry_and_3D_Visualization.png
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