3D光学显微镜的计量应用

3D光学显微镜是无数行业中使用的关键计量技术。白光干涉法（WLI）和共聚焦显微镜或激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）是其他两种关键技术，可从显微镜图像提供3D表面表示。

每种技术都根据操作原则具有自己的优势和缺点。本文讨论了在某些应用中，Bruker比共聚焦显微镜的Contourgt 3D光学显微镜的独特计量优势。

Contourgt的关键优势之一是其能够维持0.1 nm RMS可重复性和亚纳光垂直分辨率，而与视野无关。

测量原理

在共聚焦显微镜中，样品在台阶上垂直进行，并且将微小的光圈放在检测器的前面，以使其在遍历焦点时从单点进行光。LSCM一次只能测量一个点，并且需要在X，Y和Z方向上进行栅格扫描，以获取表面上每个点的信息。但是，通过大量视野捕获数据需要更多时间。

基于WLI的3D显微镜允许沿Z轴进行垂直扫描，以便测试表面上的每个点都交叉焦点并捕获X和Y数据，并在沿Z轴上的每个步骤中都有一个采集。如图1所示，该技术比共聚焦技术要快，在X-Y和Z中扫描每个点。

图1。图概述了共聚焦显微镜和3D显微镜使用的不同扫描技术。

基于WLI的3D光学显微镜涉及接近样品并部分引导其在高质量参考表面和样品上的光线分裂，然后在这两个表面重新组合反射光。光线在样品与焦点紧密接近的点相互作用，以创建一个痕迹的明亮和深线模式，从而追踪表面形状。

执行专门显微镜物镜的垂直扫描，以使表面上的每个点都通过焦点。最佳对比度在明亮和暗线中的位置代表了每个像素的最佳焦点位置，并且在显微镜视野内的表面完整的3D表面映射是创建的。

然后使用板载软件来研究这些数据，以测量感兴趣的不同参数，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功能。它通过轴向点扩散函数在共聚焦显微镜上受到限制。如图2所示，共聚焦显微镜没有提供具有5倍，10倍甚至20倍目标的高度精确数据，并以客观的50x放大倍数或更高的范围实现可接受的垂直分辨率，从而限制了视野。要绘制大面积，需要数据缝制，从而大大增加了测量时间。

图2。共聚焦显微镜产生更宽，较弱的信号，以降低放大目标。

在基于WLI的3D显微镜中，在所有宏伟幅度上，条纹包膜在图3中的所有大型上都非常狭窄没有损害真实计量应用的垂直分辨率。较低的放大目标提供了较大的视野，从而提供了更高的吞吐量以及更好的Z精度测量值。

图3。WLI显微镜为所有目标提供了恒定的狭窄信号。

现有的基于WLI的显微镜（如Bruker Contourgt）适合全面分析具有低磁化镜头的表面剖面。如图4所示，可以对大于5x5毫米的区域使用快速缝合。

图4。使用50x物镜用共聚焦和WLI 3D显微镜测量的13 mm半径球（形状和形式）取出3毫米的缝线测量值的比较。基于WLI的3D显微镜提供了更好的缝合和较小的像差，由100 nm峰值到山谷（PV）残留物表示，比基于共聚焦的3D图像提高了6倍。

横向分辨率

像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Contourgt 3D光学显微镜的独家ACUITYXR增强功能利用算法来重建由没有衍射的光学系统成像的对象。

通过系统建模和多次扫描，与典型的干涉测量值相比，AcuityXR在X和Y方向上以X和Y方向的像素数的两倍产生测量。AcuityXR使用从计量硬件获得的反馈，使用申请专利的迭代技术来降低系统噪声并减少归因于最终测得的表面高度衍射的模糊效果。

用ACTUITYXR增强（右）和带有标准WLI 3D显微镜（左）进行的WLI 3D显微镜进行的测量值如图5所示。

图5。350 nm的线宽测量测量用基于WLI（左）的标准3D显微镜进行，并且具有AcuityXR增强（右）的相同显微镜显示了后者如何提供高水平的特征分化。

基于WLI的3D显微镜显示扫描速度每秒垂直100微米，并以一秒钟为单位的整个视野​​进行成像。表1显示了由LSCM和基于WLI的3D显微镜测量的等效检查区域的最佳分辨率数据估计值的比较。

表格1。LSCM和WLI比较最佳计量学（垂直）分辨率的数据时间（LSCM的0.3 MP/秒图像，WLI的Interline传输图像采集）。

3D显微镜基础技术	感兴趣的领域 （毫米广场）	RA-Metal样品（NM）	时间（秒）
LSCM-50X目标	0.1	7	1
针迹50x -100个部分	1	7	100
针迹50x -2500个部分	5	7	2500
WLI -50X目标	0.1	4	1
5x目标	1	4	1
针迹5x -4个部分	5	4	5

基于WLI的系统在更快的时间范围内生成更高质量的数据。如图6所示，当前基于WLI的3D光学显微镜可以轻松地测量高达60°的陡峭角度。最新型号的测量最高为87°。

图6。螺纹的铅角可以通过基于WLI的3D光学显微镜在60度下轻松测量。

基于WLI的3D光学显微镜能够提供陡峭角度的高速精确测量测量值的能力。

图7。拍摄的图案化蓝宝石底物图像显示了WLI 3D显微镜的能力，可提供陡峭角度的高速精度测量值。

测量各种反射率的样品

基于WLI的3D光学显微镜可以在具有广泛反射率的样品上使用，如图8所示。它们可以在30秒内甚至在没有倾斜校正的陡峭角度的样品上生成数据，如图9所示。

图8。WLI 3D显微镜可以准确测量具有广泛反射率的样品。

图9。仅通过光学焦点和测量，在WLI 3D显微镜上生成的5倍线图像。

基于WLI的3D光学显微镜现在能够产生颜色图像，如图10所示。

图10。WLI显微镜现在可以产生颜色图像，如下所示，用于电线粘结表征。

结论

通过测量表面地形以及微观表面特征的形状和大小，可以确保许多不同行业的生产过程质量。为此，已经使用了不同的仪器，包括共聚焦显微镜和基于WLI的3D显微镜每个都有其自身的好处和缺点。

最新一代的Bruker Contourgt 3D显微镜展示了高速操作，工厂环境中的可加工性以及前所未有的精度，其中包括垂直（Z）轴中的子纳米分辨率。

由于这些优势，它们越来越多地用于无数应用中，从用于生产接触和眼内镜头的工具以及对工业表面的严重磨损到HB-LEDS中使用的PSS的严重磨损的表征。

该信息已从布鲁克·纳米（Bruker Nano）表面提供的材料中采购，审查和改编。亚博网站下载

有关此消息来源的更多信息，请访问布鲁克纳米表面。