为何使用CSI（相干扫描干涉法）

相干扫描干涉测量法（CSI，一种白光干涉仪）是一种测量表面粗糙度的高效技术，这得益于其非接触式特性、数据清晰度、高精度，以及能够同时捕捉光滑和粗糙表面纹理的能力。该技术利用宽带光源产生干涉图样，据此可测定低至亚纳米级别的表面高度。这一能力在许多行业领域具有特别重要的价值，例如：半导体制造、精密光学、汽车、医疗、航空航天和材料科学等，在这些领域中，表面质量至关重要。

宽带光和表面覆盖

利用由宽波长范围组成的白光（Polytec 的中心波长带为525nm），将相干扫描干涉仪（CSI）作为光学轮廓仪，可全面测量各种表面特征：对于光滑表面，CSI能以纳米级精度检测微小的高度偏差。在粗糙表面上，白光的宽带特性确保了轮廓仪即使面对较大且不规则的表面特征，仍能清晰地分辨细微细节。这一宽波长范围使相干扫描干涉仪能够适应从光滑抛光表面到纹理变化显著的表面（例如表面喷丸处理或增材制造表面）等全谱面的表面粗糙度。

一名技术人员正在使用Polytec Micro.View 相干扫描干涉仪进行精确的非接触式三维表面测量。 — Polytec 开发的台式相干扫描干涉仪，作为粗糙度/纹理/微观结构分析的紧凑型测试装置

相干扫描干涉法的的工作原理

在相干扫描干涉法光学轮廓仪中，白光通过分束器，该分束器将光分别引导至样品表面和参考镜。当光从这两个表面反射回来时，光束重新结合，从而形成干涉“条纹”图案。在样品上每个点的最佳聚焦位置，干涉条纹的对比度达到最大。通过使测试样品或测量头沿垂直方向（Z方向）进行扫描/平移，确保表面上的每个相机像素点都经过聚焦点。通常会应用数学算法。需要注意的是，数学算法越精良，对焦的清晰度就越高。作为相干扫描干涉测量领域的专家，Polytec 公司开发了一种名为“相关图”的数学算法。该相关图信号处理算法利用干涉信号寻找最佳/最锐利的对焦点，其工作原理超越了光的衍射极限，可提供亚纳米级的Z轴灵敏度。

示意图展示了Polytec 的相干扫描干涉测量装置，该装置包含光源、分束器、反射镜、物镜和传感器，用于亚纳米级表面测量。 — 基于迈克尔逊干涉仪的白光干涉法或相干扫描干涉法的测量原理与实验装置

Z轴灵敏度高，Z轴量程大

当将该基于CSI的相关图算法与长扫描机械装置结合使用时，这一特性使得在宽广的Z向平移范围内都能实现高Z向灵敏度，同时无论扫描范围长短，均能保持良好的抗噪性能和高的表面灵敏度。收集到的系列数据采样可以在整个 Z 扫描范围内，以亚纳米级分辨率精确映射每个表面点的高度，且不会因分辨率限制而牺牲扫描范围，唯一限制是干涉镜的工作距离（最大 30 毫米）。Polytec 将此方法称为其 CST 连续扫描技术。所有数据在 Z 轴方向上本质上都是确定性的（并非通过不同的镜头选项来驱动对焦），并且始终具有良好的噪声性能和清晰的表面信息。

凭借这种 CST 连续扫描技术及数据处理能力，即使面对超光滑、粗糙或不规则的表面纹理及其组合，也能进行精确测量。

Polytec 相干扫描干涉仪位于表面上方100毫米处，用于进行精确的非接触式地形测量。 — 基于迈克尔逊干涉仪的白光干涉法或相干扫描干涉法的测量原理与实验装置

在XY平面上对高度数据（Z）进行非接触式扫描

CSI相干扫描干涉仪的一大优势在于，它无需与被测表面直接接触。这消除了表面受损的风险，而这种风险在触针式轮廓仪等接触式测量技术中可能会发生。 CSI的非接触式特性对于易碎或敏感表面（如精密光学元件、柔性电子器件或薄膜）尤为有益，因为物理接触可能会改变这些表面的结构。此外，非接触式测量使CSI能够在短时间内采集更大面积的数据。通过一次性扫描整个单个视场（FOV），甚至利用多个视场并进行图像拼接来扩展测量区域。这些拼接数据通过先进的数据融合软件以受控方式进行整合，从而能够可视化更大表面区域的纹理。CSI 提供了一种比传统逐点测量技术更快捷的替代方案，同时仍能保持高精度和数据清晰度。

喷丸-锤击处理表面纹理的表面粗糙度图，Ra值为6.05微米，在3D地形图中以红色峰值和蓝色谷值进行可视化呈现。 — 通过喷丸处理（喷砂）形成的表面，Ra值为6.05微米。采用了标准的伪彩色成像技术，即红色表示高点和表面峰值，蓝色表示低点和表面谷值。

由Polytec CSI轮廓仪测得的半导体晶圆背面表面粗糙度Ra为0.90µm的3D彩色地形图。 — 使用CSI轮廓仪测量半导体晶圆背面，Ra值为0.90微米

增材金属打印表面的3D CSI地形图，显示了高度变化，并附有详细的、按颜色编码的粗糙度测量数据。 — CSI相干扫描干涉仪，安装在增材金属打印表面上，14.27 µm。

光滑和粗糙表面的高精度数据

由于其垂直分辨率可达亚纳米级，CSI 能够有效测量光滑和粗糙纹理表面的粗糙度。在光滑表面上，CSI 可提供详细的高度信息，甚至能检测到纹理中最微小的变化。该技术还能以高精度测量粗糙表面，因为它能够处理较大高度变化而不损失分辨率，并允许操作员获取宽空间频率带宽的数据；特别是在图像拼接技术的支持下，所得数值数据具有良好的稳定性，非常适合控制和监测表面的细微变化。此外，其生成的图像清晰完整、视觉效果佳，是理想的故障分析辅助工具。