Escáner de luz blanca

Un escáner de luz blanca ( WLS ) es un dispositivo para medir la altura de la superficie de un objeto mediante interferometría de escaneo coherente ( CSI ) con iluminación de luz blanca de banda ancha espectral. Se pueden utilizar diferentes configuraciones de interferómetro de escaneo para medir objetos macroscópicos con perfiles superficiales del orden de centímetros, y objetos microscópicos con perfiles superficiales del orden de micrómetros . Para sistemas de medición no interferométricos a gran escala, consulte el escáner 3D de luz estructurada .

La interferometría de barrido vertical es un ejemplo de interferometría de baja coherencia, que aprovecha la baja coherencia de la luz blanca. La interferencia solo se produce cuando los retardos de la longitud del recorrido del interferómetro coinciden con el tiempo de coherencia de la fuente de luz. La VSI monitoriza el contraste de las franjas, en lugar de su forma.

La figura  2 ilustra un interferómetro de Twyman-Green configurado para el escaneo con luz blanca de un objeto macroscópico. La luz de la muestra se mezcla con la luz reflejada por el espejo de referencia para formar un patrón de interferencia. Las franjas aparecen en la imagen CCD solo donde las longitudes de 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 a medida que se escanea la muestra o el espejo de referencia. La posición de enfoque de cualquier punto en la superficie de la muestra corresponde al punto de máximo contraste de franjas (es decir, donde la modulación del correlograma es mayor).

La figura  3 ilustra un microscopio interferométrico de luz blanca que utiliza un interferómetro de Mirau en el objetivo. Otras formas de interferómetro utilizadas con luz blanca incluyen el interferómetro de Michelson (para objetivos de baja magnificación, donde el espejo de referencia en un objetivo de Mirau interrumpiría demasiado la apertura) y el interferómetro de Linnik (para objetivos de alta magnificación con distancia de trabajo limitada). ^{[ 1 ]} El objetivo (o, alternativamente, la muestra) se mueve verticalmente a lo largo de todo el rango de altura de la muestra, y se encuentra la posición de máximo contraste de franja para cada píxel. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

La principal ventaja de la interferometría de baja coherencia es que se pueden diseñar sistemas que no sufren la  ambigüedad de 2π de la interferometría coherente, ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} y como se ve en la Fig.  1, que escanea un volumen de 180  μm  ×  140  μm  ×  10  μm, es muy adecuada para perfilar escalones y superficies rugosas. La resolución axial del sistema está determinada por la longitud de coherencia de la fuente de luz y suele estar en el rango de los micrómetros. ^{[ 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 de espesor de película (industrias de semiconductores y óptica, etc.). ^{[ 10 ]}

Los sistemas de escaneo por interferometría de luz blanca (WLS) capturan datos de intensidad en una serie de posiciones a lo largo del eje vertical , determinando la ubicación de la superficie mediante la forma del interferograma de luz blanca, la fase localizada del interferograma o una combinación de ambas. El interferograma de luz blanca 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 del objeto interfiere con la porción roja del haz de referencia , la azul interfiere con la azul, y así sucesivamente. En un sistema WLS, un interferómetro de imagen se escanea verticalmente para variar la diferencia de trayectoria óptica . Durante este proceso, se forma una serie de patrones de interferencia en cada píxel del campo de visión del instrumento . Esto da como resultado una función de interferencia, que varía en función de la diferencia de trayectoria óptica. Los datos se almacenan digitalmente y se procesan de diversas maneras según el fabricante del sistema, incluyendo la transformada de Fourier al espacio de frecuencias, la aplicación de métodos de correlación cruzada o el 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 grafica la fase en función del número de onda, la pendiente de la función corresponde al cambio relativo en la diferencia de trayectoria óptica de velocidad de grupo D _G mediante 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, se obtiene un mapa de altura de superficie tridimensional a partir de los datos.

En el proceso de medición, la diferencia de trayectoria óptica se incrementa gradualmente mediante el escaneo vertical del objetivo con una platina mecánica de precisión o un posicionador piezoeléctrico. Los datos de interferencia se capturan en cada paso del escaneo. En efecto, se obtiene un interferograma en función de la posición vertical para cada píxel del detector. Para analizar la gran cantidad de datos adquiridos durante escaneos prolongados, se pueden emplear diversas técnicas. La mayoría de los métodos permiten que el instrumento descarte los datos brutos que no presentan una relación señal-ruido suficiente. Los datos de intensidad, en función de la diferencia de trayectoria óptica, se procesan y se convierten en información de altura de la muestra.

• W. Bauer, "Propiedades especiales de los interferómetros de escaneo de coherencia para grandes volúmenes de medición", Journal of Physics: Conference Series Volumen 311 Número 1, 012030: doi : 10.1088/1742-6596/311/1/012030
• James C. Wyant
• WJ Walecki, F. Szondy y MM Hilali "Metrología rápida de topografía de superficie en línea que permite el cálculo de tensiones para la fabricación de células solares con un rendimiento superior a 2000 obleas por hora" 2008 Meas. Sci. Technol. 19 025302 (6 págs.) doi : 10.1088/0957-0233/19/2/025302