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ISO 25178-603：非接触式（相移干涉测量）仪器的设计和特性
产品几何技术规范(GPS)——表面纹理：面域——第603部分
1. 相移干涉测量原理
ISO 25178-603:2025（第二版）规定了用于面形貌测量的相移干涉仪（PSI）仪器的设计和计量特性。PSI通过分析在一系列受控相移中获取的干涉图案实现亚纳米垂直分辨率，是超光滑表面表征的首选方法。该技术最常用于光学光滑表面的测量，其中高度变化远小于光波长，通常小于等效波长的四分之一。
单个表面点的干涉信号遵循双光束干涉方程：I = IDC + IAC cos(phi – alpha + delta)，其中phi = 4pi z / lambda_eq 是表面高度相关相位，alpha是相移机构施加的相移，delta是与反射特性相关的相位偏移。等效波长（lambda_eq）是将干涉相位转换为表面高度的基本缩放因子，对于低数值孔径系统通常约为平均光源波长的两倍。每个点的高度计算为 z = (lambda_eq / 4pi) * phi，提供了从相位测量到表面形貌的直接路径。
PSI最适合高度变化远小于等效波长四分之一的超光滑表面。等效波长（lambda_eq）将干涉相位转换为表面高度，通常约为平均光源波长的两倍。相位展开算法可通过移除相邻图像点相位值中多余的2pi倍数来扩展测量范围。
| 干涉物镜 | 放大倍率 | 数值孔径 | 横向分辨率（斯派罗, 570 nm） |
|---|---|---|---|
| Zygo 宽场 | 1.4x | 低 | 大视场 |
| Michelson | 2.75x, 5.5x | 0.04-0.08 | 3.56-7.13 微米 |
| Mirau | 10x, 50x, 100x | 0.15-0.85 | 0.34-1.90 微米 |
| Linnik | 多种 | 高NA | 亚微米 |
2. PSI算法与干涉物镜类型
该标准描述了线性PSI和正弦PSI。线性PSI依赖于在一系列等间距相移上采样干涉信号，通常通过干涉物镜或样品表面沿z轴的轴向扫描运动产生。4样本线性PSI算法使用 tan(phi) = (I3 – I1)/(I1 – I0) 计算相位。现代仪器使用多达20个样本和浮点系数的更复杂算法，以提高对相移误差和环境振动的抗扰度。正弦PSI使用正弦变化的相移，机械要求较低但需要更复杂的信号处理算法。相移机构是关键组件，通过精确校准的机械扫描施加受控相移。
PSI仪器使用干涉物镜替代传统显微镜物镜。该标准描述了四种具有不同性能特性的常见类型。Michelson物镜使用独立的参考镜和分束器，提供低放大倍率（2.75x-5.5x）和大的工作距离及视场。Mirau物镜将参考表面和分束器集成在物镜体内，提供中到高放大倍率（10x-100x）和优异的振动稳定性。Linnik物镜为参考路径和测量路径使用独立的物镜，实现最高的数值孔径和最佳的横向分辨率。Zygo宽场（ZWF）物镜提供极低放大倍率（1.4x）和极大的视场，用于测量大面积表面。相机选择不仅涉及视场大小和像素数量，还包括采集速度、响应线性度、量子阱深度和数字化分辨率。
PSI仪器对环境振动非常敏感。低于相机帧率的振动产生形状失真，较高频率的振动在相位计算中产生周期性误差。隔振台对可靠的PSI测量至关重要。一些先进的PSI算法可以部分补偿振动，但不能完全消除其影响。
3. 表面膜、PCOR效应与实际考量
表面膜和异种材料对PSI测量中的相位偏移具有一阶影响。反射相位变化（PCOR）随材料类型变化，可引入数十纳米的表观高度偏移。对于纯金属表面，PCOR通常为0.1-0.5弧度，对应可见光的5-25纳米高度偏移。对于多材料表面或具有薄膜的样品，视场内PCOR变化可产生与真实表面形貌无关的显著测量伪影。必须使用已知的材料光学特性对这些效应进行建模和补偿。
该标准还涉及斜率相关效应，其中简单的相位-高度模型需要校正。当测量接近数值孔径限制的陡坡时，有效数值孔径在视场内发生变化，恒定等效波长的假设失效。相位展开算法将测量范围扩展到基本2pi模糊极限 lambda_eq/2（可见光约300-400纳米）之外。当由于表面不连续性或噪声导致相位展开失败时，可能发生级次误差，即高度为lambda_eq/2的整数倍。该标准建议使用最小的可用等效波长（最短光源波长或最大有效NA）来最小化相位展开误差，同时保持所需的高度分辨率。
PSI最佳实践：(1)始终使用隔振，(2)用认证的台阶高度标准校准等效波长，(3)选择与预期表面粗糙度和空间频率匹配的物镜，(4)测量异种材料时考虑PCOR，(5)使用相位展开扩展测量范围。记录所有测量条件包括温度、振动水平和光学设置。
4. 常见问题
问：无相位展开时PSI最大高度范围是多少？
答：限制为 lambda_eq/2（可见光约300-400纳米）。相位展开通过移除2pi倍数扩展范围，可测量比基本模糊极限大许多倍的台阶和特征。
答：限制为 lambda_eq/2（可见光约300-400纳米）。相位展开通过移除2pi倍数扩展范围，可测量比基本模糊极限大许多倍的台阶和特征。
问：PSI使用哪些干涉物镜？
答：四种主要类型：Michelson（低倍率、大工作距离和视场）、Mirau（中高倍率、集成设计）、Linnik（最高NA、最佳分辨率）和Zygo宽场（极低倍率、超大视场）。
答：四种主要类型：Michelson（低倍率、大工作距离和视场）、Mirau（中高倍率、集成设计）、Linnik（最高NA、最佳分辨率）和Zygo宽场（极低倍率、超大视场）。
问：表面膜如何影响PSI？
答：膜改变反射相位变化（PCOR），引入通常为5-25纳米且与真实表面形貌无关的材料相关高度偏移。对于多材料表面，PCOR变化可产生显著伪影。
答：膜改变反射相位变化（PCOR），引入通常为5-25纳米且与真实表面形貌无关的材料相关高度偏移。对于多材料表面，PCOR变化可产生显著伪影。
问：线性PSI和正弦PSI的区别？
答：线性PSI使用通常由机械扫描产生的等间距相移，正弦PSI使用正弦变化相移，机械要求较低但需要更复杂的相位提取算法。
答：线性PSI使用通常由机械扫描产生的等间距相移，正弦PSI使用正弦变化相移，机械要求较低但需要更复杂的相位提取算法。
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