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一、前言

近年來，隨著表面測量技術(shù)無論在技術(shù)成熟方面還是應(yīng)用范圍方面都得到了極大的發(fā)展。因此針對(duì)那些高陡度、大臺(tái)階及深窄溝道的難度很大的面形也可以進(jìn)行測量了。這些表面輪廓技術(shù)很多是由距離測量或焦距測定技術(shù)發(fā)展而來的，同時(shí)它們也往往需要進(jìn)行掃描來獲得面形輪廓。以下介紹幾種輪廓儀。

二、接觸式輪廓儀

2.1 探針輪廓儀

探針輪廓儀利用一個(gè)在表面移動(dòng)的小針尖，通過感知針的高度起伏來確定表面的輪廓。探針輪廓儀能夠測量的高度達(dá)1mm。這種輪廓儀工作的時(shí)候很像留聲機(jī)，通常情況下，被測表面在探針下移動(dòng)，但也有可能是探針在表面移動(dòng)。探針的垂直運(yùn)動(dòng)由-一個(gè)線性變化的差動(dòng)變壓器(LVDT)測量，然后把測量的信號(hào)轉(zhuǎn)換為高度數(shù)據(jù)。圖1為帶有LVDT的探針輪廓儀結(jié)構(gòu)圖。

圖1 帶有LVDT的探針輪廓儀的結(jié)構(gòu)圖

2.2 掃描隧道顯微鏡

在掃描隧道顯微鏡(STM)中，金屬的針尖向待測導(dǎo)體或半導(dǎo)體表面靠近，直到能夠在針尖和待測表面之間檢測到隧道電流。為了“感知”隧道電流，必須在針尖和待測表面施加電壓。圖2表示STM的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 STM結(jié)構(gòu)示意圖

三、光學(xué)輪廓儀

3.1 光學(xué)聚焦傳感器

當(dāng)激光光源發(fā)出的一束光被聚焦到被測表面時(shí)，反射光在光軸上被棱鏡分成兩束。然后用兩個(gè)探測器分別檢測這兩束光的信號(hào)，并對(duì)其差值信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。圖3表示帶有光學(xué)聚焦傳感器的輪廓儀結(jié)構(gòu)圖。

圖3 帶有光學(xué)聚焦傳感器的輪廓儀結(jié)構(gòu)圖

3.2 共焦顯微鏡

共焦顯微鏡系統(tǒng)本身不是標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)顯微鏡，因?yàn)樗ㄟ^使用共焦孔徑（針孔）確保了被測表面上只有在焦點(diǎn)處的光線才能夠進(jìn)人探測器。這樣就消除了離焦和雜散光，從而具備高分辨力和高信噪比。典型的共焦顯微鏡裝置在被測對(duì)象焦平面的共軛面上放置了兩個(gè)小孔，其中一個(gè)放在光源前面，另一個(gè)放在探測器前面。如圖4所示。

圖4 經(jīng)過針孔消除離焦光線的反射共焦顯微鏡

四、干涉光學(xué)輪廓儀

千涉型光學(xué)輪廓儀在標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡上使用內(nèi)置干涉儀的物鏡取代了標(biāo)準(zhǔn)物鏡。通過分析這些物鏡獲得的干涉信號(hào)，可以獲得檢測對(duì)象的定量數(shù)據(jù)。四種經(jīng)典的干涉物鏡裝置是以邁克爾遜（Michelson）、米勞（Mirau）、林尼克（Llinnik）、斐索（Fizeau）干涉儀為基礎(chǔ)的。這些干涉物鏡結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5干涉物鏡結(jié)構(gòu)

a）邁克爾遜干涉儀 b）米勞干涉儀 c）林尼克干涉儀 d）斐索干涉儀

邁克耳遜干涉儀如圖5 a）所示，由一個(gè)物鏡、一個(gè)分光鏡和一個(gè)獨(dú)立的參考平面組成。為了能夠在物鏡和測試表面之間放入分束器，顯微鏡物鏡必須有一個(gè)足夠長的工作距離。

米勞干涉儀如圖5 b）所示，在物鏡和被測表面中間有兩個(gè)小玻璃板。一個(gè)板上有一個(gè)小的反射點(diǎn)用作參考面，另一個(gè)在其一側(cè)鍍膜作為分束鏡。包含反射點(diǎn)的小玻璃板還可以作為一個(gè)補(bǔ)償板。

林尼克干涉儀如圖5 c）所示，通過兩個(gè)相同的明場物鏡，可以用任意放大倍率的物鏡來裝配干涉儀。

斐索干涉儀如圖5 d）所示，是一種非等光程干涉儀，它需要一個(gè)相干長度很長的光源，這種裝置能很好地用于單色光源或光譜相干測量，不適用于白光干涉測量。由物鏡提供一束準(zhǔn)直光束到測試表面同時(shí)對(duì)其成像。當(dāng)使用長相干長度光源時(shí)，干涉條紋會(huì)在一個(gè)很深的視場內(nèi)才被觀察到，因此主要集中關(guān)注測試表面。