三维光学显微镜的计量学应用

三维光学显微镜是一种应用于各行各业的关键计量技术。白光干涉术(WLI)和共聚焦显微镜或激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)是提供显微镜图像的三维表面表示的另外两项关键技术。

根据操作原理，每种技术都有其各自的优缺点。本文讨论了Bruker的ContourGT 3D光学显微镜在某些应用中优于共焦显微镜的独特计量优势。

ContourGT的关键优势之一是其保持0.1 nm RMS重复性和亚纳米垂直分辨率的能力，而不考虑放大或视野。

测量原理

在共聚焦显微镜中，样品一步一步地垂直进行，检测器前面有一个小孔径，允许单点的光通过焦点。激光共聚焦显微镜一次只能测量一个点，需要X、Y、Z方向的光栅扫描来获取表面上每个点的信息。然而，在大视场中捕获数据需要更多的时间。

基于WLI的3D显微镜允许沿z轴垂直扫描，因此测试表面的每个点都穿过焦点，并在沿着z轴的每一步上通过单个采集来捕获X和Y数据。这种技术比需要扫描X-Y和Z中的每个点的共焦技术要快，如图1所示。

图1。共焦显微镜和3D显微镜使用的不同扫描技术示意图。

基于wli的3D光学显微镜涉及到接近样品的光的分裂，并将其部分指向高质量的参考表面和样品，然后从这两个表面反射的光进行重新组合。光线在样品与焦点接近的地方相互作用，创造出沿着表面形状的明暗线条的图案。

执行专用显微镜物镜相对于表面的垂直扫描，以使表面上的每个点通过焦点。亮线和暗线中最佳对比度的位置表示每个像素的最佳焦点位置，并创建显微镜视野内的曲面的完整3D曲面贴图。

然后使用机载软件来研究这些数据，以测量不同的感兴趣的参数，包括表面粗糙度、纹理或其他关键的几何尺寸信息。

垂直分辨率

垂直分辨率是表面轮廓测量应用中最基本的性能特征。它在共焦显微镜中受到轴向点扩散函数的限制。如图2所示，共焦显微镜无法提供具有5倍、10倍甚至20倍物镜的高精度数据，并且在物镜放大50倍或更大的情况下无法获得可接受的垂直分辨率，这限制了视野。要绘制大面积地图，需要进行数据拼接，从而大大增加测量时间。

图2。共焦显微镜为低倍物镜产生更宽、更弱的信号。

在基于wli的3D显微镜的所有放大率下，条纹包络仍然非常狭窄，如图3所示。这一特性加上条纹相位检测，可以实现亚纳米级的垂直分辨率，从而在不影响垂直分辨率的情况下实现真正的计量应用。较低的放大率目标提供更大的视野，从而提供更高的吞吐量和更好的Z精度测量。

图3。WLI显微镜为所有目标提供恒定、狭窄的信号。

现有的基于wli的显微镜，如Bruker的ContourGT，适用于低放大率透镜的表面轮廓的综合分析。如图4所示，可以对大于5x5mm的区域使用快速缝合。

图4。使用共聚焦显微镜和WLI 3D显微镜，使用50倍物镜，从一个半径为13毫米的球体(形状和形状被去除)上进行的覆盖3毫米的缝合测量的比较。基于WLI的3D显微镜提供了更好的拼接和更小的像差，100 nm峰谷(PV)残差，比基于共聚焦的3D图像提高了6倍。

横向分辨率

象素限制分辨率和衍射是光学系统横向分辨率的两个潜在限制。Bruker的独家AcuityXR增强ContourGT 3D光学显微镜使用了一种算法来重建物体，该物体已经由光学系统成像，没有衍射。

通过系统建模和多次扫描，与典型的干涉测量相比，acityxr在X和Y方向产生了两倍的像素数的测量。AcuityXR使用了一种正在申请专利的迭代技术，从计量硬件获得反馈，以减少系统噪声，并减少由于衍射对最终测量表面高度造成的模糊影响。

图5显示了使用配备ActuityXR增强功能的WLI 3D显微镜（右）和使用标准WLI 3D显微镜（左）进行的测量。

图5。使用基于WLI的标准3D显微镜(左)和使用acityxr增强的相同显微镜(右)测量的350 nm线宽显示了后者如何提供高水平的特征分化。

基于wli的3D显微镜显示了高达100微米/秒的垂直扫描速度，可以在不到一秒的时间内对整个视野进行成像。基于LSCM和基于wli的3D显微镜测量的等效检测区域的最佳分辨率数据估计比较如表1所示。

表1。LSCM和WLI最佳计量（垂直）分辨率的时间与数据比较（LSCM为0.3 MP/秒图像，WLI为行间传输图像采集）。

3D显微镜基础技术	感兴趣的领域 (平方毫米)	Ra-Metal样本(nm)	时间(秒)
LSCM-50x客观	0．1	7.	1.
缝合50x - 100节	1.	7.	One hundred.
缝合50x-2500节	5.	7.	2500
WLI-50x物镜	0．1	4.	1.
5 x客观	1.	4.	1.
针5x - 4节	5.	4.	5.

基于wli的系统在更快的时间范围内产生更高质量的数据。目前基于wli的3D光学显微镜可以轻松测量高达60°的陡度，如图6所示。最新的模型可以测量到87°。

图6。使用基于WLI的三维光学显微镜，可以轻松地在60度处测量螺纹的导程角。

基于WLI的三维光学显微镜提供陡角高速精密计量测量的能力如图7所示。

图7。拍摄的图案蓝宝石衬底图像显示出WLI三维显微镜的能力，以提供高速精密的测量陡峭的角度。

测量样品在大范围的反射

基于wli的3D光学显微镜可以用于具有大范围反射的样品，如图8所示。即使在不进行倾斜校正的情况下，它们也可以在30秒内生成数据，如图9所示。

图8。WLI三维显微镜可以精确测量样品的大范围反射。

图9。通过光学聚焦和测量，在WLI 3D显微镜上生成5x线图像。

基于wli的3D光学显微镜现在能够生成如图10所示的彩色图像。

图10。WLI显微镜现在可以产生彩色图像，如图所示，用于线键合表征。

结论

通过测量表面形貌和微观表面特征的形状和大小，可以保证许多不同行业的生产过程的质量。为此，人们使用了不同的仪器，包括共聚焦显微镜和基于wli的3D显微镜，它们各有优缺点。

最新一代Bruker ContourGT 3D显微镜展示了高速操作、工厂环境下的可加工性和前所未有的精度，包括垂直(Z)轴的亚纳米分辨率。

由于这些优点，它们已越来越多地应用于无数的应用中，从用于隐形眼镜和人工晶状体生产的工具的表征，到工业表面关键磨损的检测，再到hb - led中PSS的测量。

本信息来源于Bruker Nano Surfaces提供的材料，经过审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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