白光干涉仪：表面粗糙度测量技术

材料分析技术研究中心

白光光源经分光镜分为两束，一束照射被测样品表面，另一束照射参考镜（如平面镜）。

两束光反射后重新汇合，形成干涉光场。由于白光包含多波长成分，仅当光程差（OPD）小于相干长度（通常约几微米）时，特定波长成分产生干涉，形成彩色干涉条纹。

通过显微物镜将干涉光场聚焦至CCD或CMOS相机，记录不同位置（X-Y轴）的干涉条纹强度分布。

垂直扫描（Z轴）样品或参考镜，改变光程差，采集一系列干涉图像（通常每纳米级步进一次）。

• 包络法：提取每列像素的干涉条纹包络峰值位置，对应表面高度信息。

• 相位法：通过傅里叶变换或相移算法计算相位分布，反演表面形貌（分辨率更高）。

最终生成三维形貌图，并计算粗糙度参数（如Ra、Rz、Sq等）。

• 垂直分辨率可达纳米级（nm），横向分辨率由物镜数值孔径决定（通常0.5-10 μm）。

• 适用于测量超光滑表面（如光学镜片、半导体晶圆）及微纳结构（如MEMS器件）。

避免传统触针法对软质材料（如聚合物、生物组织）的划伤，且无测量力影响，数据重复性高。

单次测量面积可达毫米级，通过拼接技术可扩展至更大范围。自动化扫描与快速数据处理，适合生产线在线检测。

不仅可计算传统粗糙度参数（Ra、Rq），还能提供功率谱密度（PSD）、曲率、纹理方向等高级形貌特征。

对振动、温度波动敏感度较低（相比激光干涉仪），但需在恒温洁净环境中实现最高精度。

白光干涉仪对环境振动、温度波动和空气湍流极为敏感。微小振动（如地面震动、设备运行振动）或温度变化（导致材料热胀冷缩）会改变干涉条纹的稳定性，使测量结果出现噪声或偏差，尤其在超精密测量（如纳米级表面）。

常用解决方案如下：在隔振台或减震地基上操作，远离振动源；控制实验室温度恒定（如±0.5℃以内），避免阳光直射或空调直吹；使用封闭式测量腔体减少空气流动干扰等等。

编辑| Amadna王莉

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