白光干涉仪扫描模式对比：垂直扫描干涉（VSI）与相移干涉（PSI）

白光干涉仪是表面形貌测量的主流光学设备，其测量模式主要分为相移干涉（Phase-Shifting Interferometry，PSI）与垂直扫描干涉（Vertical Scanning Interferometry，VSI）两种。以优可测白光干涉仪AM-7000为例，它就是支持PSI和VSI两种扫描模式的白光干涉仪，既可以测量超光滑镜面的亚纳米级粗糙度，又可以测量精密加工件的微米级台阶，两种模式分别适配不同特性的表面，理解其差异是正确选型与使用白光干涉仪的前提。

一、为什么需要两种扫描模式

白光干涉仪通过分析干涉条纹获取表面高度信息，而不同样品的表面特性差异巨大：光学镜面高度差极小但精度要求极高；机械加工件表面起伏可达数十微米。单一测量模式难以同时满足所有场景的精度与量程需求，因此主流白光干涉仪均提供多种测量模式，以适应不同表面特征与测量目标。

二、相移干涉（PSI）

2.1 原理

PSI通过控制参考光束引入精确的相位移动（通常由压电陶瓷PZT驱动），以等步长采集多帧干涉图，再通过相移算法解算各像素点的相位值，进而以更高的精度重建表面形貌。

2.2 特点

PSI是白光干涉仪中分辨率最高的测量模式，垂直分辨率可达亚纳米甚至更高，适用于超光滑反射表面，如光学平面、镜面、半导体晶圆等。其局限在于其有效测量范围有限，通常小于一个波长（约几百纳米），并且对振动和环境扰动更为敏感。因此，PSI适合表面起伏小、精度要求极高的场景，不适合测量有台阶或粗糙的表面。

三、垂直扫描干涉（VSI）

3.1 原理

VSI沿Z轴进行垂直连续扫描或步进扫描，在扫描过程中采集一系列干涉图。每个像素点的光强信号随扫描位置变化形成干涉曲线，曲线的包络峰值对应零光程差位置。通过算法提取峰值位置，即可得到该点高度，从而重建整个表面的三维形貌。

3.2 特点

VSI的测量量程大，取决于扫描行程，可覆盖大起伏表面；适用表面广，可测量中高粗糙度表面以及反射率变化较大的表面。相较于PSI而言，VSI对震动相对不敏感，垂直测量范围相对也较宽，可以从数纳米到数微米，在垂直分辨率和测量范围之间取得了较好的平衡，也由此成为通用性较广的模式，广泛用于半导体封装、MEMS、精密加工等领域。

四、VSI与PSI对比

五、测量模式的选择逻辑

测量模式的选择主要取决于样品表面特性与测量目标：

样品为超光滑表面（如光学镜片、晶圆、反射镜），面形起伏小且精度要求高，应选择PSI模式以获得最高分辨率；

样品为粗糙表面或含大台阶、深沟槽等大起伏结构，应选择VSI模式以保证量程覆盖；

当表面同时存在光滑区域与粗糙区域时，可选用混合扫描模式，由算法逐像素自适应选择最优处理方法。

六、小结

PSI与VSI分别解决了“测得更精”与“测得更多”的问题：PSI以分辨率见长，适合镜面级表面；VSI以量程和适应性见长，适合工程表面。理解两种模式的差异，是白光干涉仪正确选型与充分发挥设备能力的基础。