Un escáner de luz blanca ( WLS ) es un dispositivo para realizar mediciones de la altura de la superficie de un objeto utilizando interferometría de escaneo de coherencia ( CSI ) con iluminación de "luz blanca" espectralmente de banda ancha. Se pueden usar diferentes configuraciones de interferómetro de barrido para medir desde objetos macroscópicos con perfiles de superficie que miden en el rango de centímetros, hasta objetos microscópicos con perfiles de superficie que miden en el rango de micrómetros . Para sistemas de medición no interferométricos a gran escala, consulte escáner 3D de luz estructurada .
La interferometría de barrido vertical es un ejemplo de interferometría de baja coherencia, que explota la baja coherencia de la luz blanca. La interferencia sólo se logrará cuando los retardos de la longitud del camino del interferómetro coincidan dentro del tiempo de coherencia de la fuente de luz. VSI monitorea el contraste de las franjas en lugar de la forma de las franjas.
La figura 2 ilustra un interferómetro Twyman-Green configurado para escanear con luz blanca un objeto macroscópico. La luz de la muestra de prueba se mezcla con la luz reflejada por el espejo de referencia para formar un patrón de interferencia. Las franjas aparecen en la imagen CCD sólo cuando las longitudes de la trayectoria óptica difieren en menos de la mitad de la longitud de coherencia de la fuente de luz, que generalmente es del orden de micrómetros. La señal de interferencia (correlograma) se registra y analiza mientras se escanea la muestra o el espejo de referencia. La posición de enfoque de cualquier punto particular en la superficie de la muestra corresponde al punto de máximo contraste marginal (es decir, donde la modulación del correlograma es mayor).
La Fig. 3 ilustra un microscopio interferométrico de luz blanca utilizando un interferómetro Mirau en el objetivo. Otras formas de interferómetro utilizadas con luz blanca incluyen el interferómetro de Michelson (para objetivos de bajo aumento, donde el espejo de referencia en un objetivo Mirau interrumpiría gran parte de la apertura) y el interferómetro Linnik (para objetivos de alto aumento con distancia de trabajo limitada). [1] El objetivo (o alternativamente, la muestra) se mueve verticalmente sobre todo el rango de altura de la muestra y se encuentra la posición de máximo contraste marginal para cada píxel. [2] [3]
El principal beneficio de la interferometría de baja coherencia es que se pueden diseñar sistemas que no sufran la ambigüedad de 2 pi de la interferometría coherente, [4] [5] [6] y como se ve en la Fig. 1, que escanea un 180 μm × Con un volumen de 140 μm × 10 μm, es ideal para perfilar escalones y superficies rugosas. La resolución axial del sistema está determinada por la longitud de coherencia de la fuente de luz y normalmente está en el rango micrométrico. [7] [8] [9] Las aplicaciones industriales incluyen metrología de superficies en proceso , medición de rugosidad, metrología de superficies 3D en espacios de difícil acceso y en entornos hostiles, perfilometría de superficies con características de alta relación de aspecto (ranuras, canales, agujeros ) y medición del espesor de la película (industrias óptica y de semiconductores, etc.). [10]
Los sistemas de escaneo de interferometría de luz blanca (WLS) capturan datos de intensidad en una serie de posiciones a lo largo del eje vertical , determinando dónde está ubicada la superficie mediante el uso de la forma del interferograma de luz blanca, la fase localizada del interferograma o una combinación de tanto de forma como de fase. El interferograma de luz blanca en realidad consiste en la superposición de franjas generadas por múltiples longitudes de onda, obteniendo un contraste máximo de franjas en función de la posición de escaneo, es decir, la porción roja del haz objeto interfiere con la porción roja del haz de referencia , la azul interfiere. con el azul, y así sucesivamente. En un sistema WLS, se escanea verticalmente un interferómetro de imágenes para variar la diferencia de trayectoria óptica . Durante este proceso, se forman una serie de patrones de interferencia en cada píxel del campo de visión del instrumento . Esto da como resultado una función de interferencia, variando la interferencia en función de la diferencia de trayectoria óptica. Los datos se almacenan digitalmente y se procesan de diversas formas según el fabricante del sistema, incluida la transformación de Fourier en espacio de frecuencia, sujetos a métodos de correlación cruzada o análisis en el dominio espacial.
Si se utiliza una transformada de Fourier, los datos de intensidad originales se expresan en términos de fase de interferencia en función del número de onda. El número de onda k es una representación de la longitud de onda en el dominio de la frecuencia espacial, definida por k = 2π/λ. Si se traza la fase versus el número de onda, la pendiente de la función corresponde al cambio relativo en la diferencia de trayectoria óptica de velocidad de grupo D G por D h = D G /2n G donde n G es el índice de refracción de velocidad de grupo . Si este cálculo se realiza para cada píxel, a partir de los datos surge un mapa tridimensional de altura de la superficie.
En el proceso de medición real, la diferencia de trayectoria óptica aumenta constantemente escaneando el objetivo verticalmente utilizando una platina mecánica de precisión o un posicionador piezoeléctrico. Los datos de interferencia se capturan en cada paso del escaneo. De hecho, se captura un interferograma en función de la posición vertical de cada píxel en la matriz de detectores. Para examinar la gran cantidad de datos adquiridos durante exploraciones largas, se pueden emplear muchas técnicas diferentes. La mayoría de los métodos permiten que el instrumento rechace datos sin procesar que no muestren suficiente relación señal-ruido. Los datos de intensidad en función de la diferencia de trayectoria óptica se procesan y se convierten en información de altura de la muestra.