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【自有技術大講堂】激光共焦顯微技術

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導讀

 

共焦顯微技術最早是由美國科學家M. Minsky1957年提出,當時的主要目的是消除普通光學顯微鏡在探測樣品時產生的多種散射光。20世紀60年代隨著激光器的出現,共焦顯微技術得到進一步的發展,激光的單色性可以有效提高共焦顯微系統的分辨率,因此工業上用的共焦顯微系統均采用激光作為光源。后來出現的光譜共焦與差動共焦技術均是在激光顯微共焦技術基礎上發展起來的。

 

原理

 

在激光顯微共焦系統中,采用點光源照明樣品,而攜帶樣品信息的光被點探測器收集,最后利用橫向和軸向掃描技術就可以獲得整個樣品的三維信息。激光共焦顯微測量技術光學原理結構圖如圖1所示。

 

1 激光共焦顯微原理

 

激光光源經過光學系統后形成點光源,點光源、點照明和點探測三者滿足系統光學共軛要求。當被測物位于點光源共軛像(及點照明)位置時,點探測器上收集的到光能最強;而當本次樣品正離焦或負離焦時,由于針孔的遮擋作用,點探測器上收集到的光能迅速衰減。從而通過軸向(縱向)掃描,判斷光強出現最大值的位置即可實現被測樣品的軸向測量,進而結合橫向測量結果可實現對被測樣品的三維掃描測量。

 

激光共焦顯微系統縱向掃描一般采用壓電陶瓷驅動,壓電陶瓷實現軸向掃描也分為驅動物掃描方式與驅動測量物鏡軸向移動實現點照明光斑軸向掃描方式。使用物掃描方式需要移動被測樣品沿軸向步進掃描,會引入因樣品運動而產生的測量誤差,影響測量結果。采用光束掃描方式時,測量物鏡被固定在壓電陶瓷載物鏡微位移臺上,被測樣品固定在載物臺上,并且在整個測量過程中均保持不動;掃描過程中,壓電陶瓷載物鏡微位移臺驅動測量物鏡沿軸向步進,從而使共焦點照明光斑沿測量樣品軸向移動,實現了對被測樣品的軸向掃描。并且采用該掃描方式可以獲得高軸向掃描精度及大測量量程,應用靈活,機構簡單便于操作,對系統有很大的適應性,特別適合于對工業微結構樣品的檢測。

 

2 壓電陶瓷驅動縱向掃描

 

常用的橫向掃描方式主要有三種:一種是物掃描,即聚焦光斑不動移動樣本進行掃描;另一種是光束掃描,即樣本不動通過移動激光束進行掃描。

 

物掃描方式,如圖所示,是指聚焦光斑保持不動,通過三維掃描載物臺移動樣品來實現掃描,這種方法的缺點是測量效率嚴重受制于載物臺的機械掃描速度,使其在高速成像應用領域中受到了極大限制。圖3所示為載物臺三維掃描機械結構示意圖。

 

3 物掃描方式示意圖

 

光束掃描方式通過偏轉掃描光束進行橫向測量,進而結合軸向掃描,可以實現對測量樣品的三維快速成像。在橫向掃描時,被測樣品保持不動,可以實現快速面掃描,并且能保持高測量分辨力。因此,為了實現共焦顯微測量系統對工業微結構樣品的快速三維掃描成像,采用光束掃描方式作為橫向掃描手段得到了廣泛的應用。

 

4 基于振鏡平面掃描的共焦顯微系

 

應用

 

共聚焦顯微鏡有較高的分辨率,而且能觀察到樣本隨時間的變化。因此,共聚焦顯微技術在生物學研究領域起著不可或缺的作用。除了在生物及醫學研究領域,共聚焦顯微鏡在陶瓷、金屬、半導體、芯片等材料科學及生產檢測領域中也具有廣泛的應用。

  1. 材料科學,新材料研發,缺陷分析,失效分析,傳統金相分析;
  2. 摩擦學、腐蝕等表面工程,磨痕的體積測量,粗糙度測量,表面形貌,腐蝕以及亞微米表面工程后的表面形貌;
  3. MEMS,微米和亞微米級部件的尺寸測量,各種工藝(顯影、刻蝕、金屬化、CVD、PVD、CMP等)后表面形貌觀察,缺陷分析,透光膜厚測量;
  4. 半導體/LCD,各種工藝(顯影、刻蝕、金屬化、CVD、PVD、CMP等)后表面形貌觀察,缺陷分析非接觸型的線寬,臺階深度等測量,及GOLD BUMP*度與表面粗糙度;
  5. 精密機械部件,電子器件,微米和亞微米級部件的尺寸測量,各種表面處理、焊接工藝后的表面形貌觀察,缺陷分析,顆粒分析;
  6. 精密PCB制造,激光鉆孔后的孔徑測量(亞微米到微米),銅線線寬,基板表面粗糙度和三維形貌;
  7. 化學薄膜厚度測量、膜表面粗糙度測量。

 

參考文獻

[1]唐建波. 基于光束掃描的共焦顯微三維測量技術研究[D].哈爾濱工業大學,2011.

[2]郭雨晗. 共焦顯微系統中移焦探測方法研究[D].哈爾濱工業大學,2019.

[3]盛忠. 高分辨激光共焦/差動共焦樣品掃描顯微成像技術與系統[D].北京理工大學,2017.

[4]林廣升. 數字共焦顯微技術壓電物鏡控制器設計[D].廣西大學,2015.

[5]羅榴彬. 基于共焦顯微拉曼光譜對云紋葉枯病侵染下茶葉細胞壁的變化研究[D].浙江大學,2015.

2021年11月29日 14:50
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