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【自有技术大讲堂】激光共焦显微技术

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导读

 

共焦显微技术最早是由美国科学家M. Minsky1957年提出(chu),当(dang)时的(de)主(zhu)要(yao)目(mu)的(de)是(shi)消(xiao)除普通光学显微镜(jing)在(zai)探测样品时产生(sheng)的(de)多(duo)种散射光。20世纪60年(nian)代随着(zhe)激(ji)光器的(de)出现(xian),共(gong)焦显(xian)微(wei)技(ji)术得到进一步的(de)发(fa)展(zhan),激(ji)光的(de)单色性可以有效提(ti)高共(gong)焦显(xian)微(wei)系(xi)统(tong)的(de)分辨率,因此工业(ye)上用的(de)共(gong)焦显(xian)微(wei)系(xi)统(tong)均采用激(ji)光作(zuo)为光源。后来出现的光谱共(gong)(gong)(gong)焦与差动(dong)共(gong)(gong)(gong)焦技术均是在激光显微共(gong)(gong)(gong)焦技术基础上发展起来的。

 

原理

 

在激光显微共焦系统中,采用点(dian)光源照明(ming)样品,而携带样品信(xin)息的光被点(dian)探测器收(shou)集,最后利用横(heng)向和轴(zhou)向扫描技术就可以(yi)获得整个样品(pin)的三维信(xin)息。激光共焦显微(wei)测(ce)量技(ji)术光学原理结(jie)构图如图(tu)1所示。

 

1 激光共焦(jiao)显微原(yuan)理

 

激光(guang)(guang)光(guang)(guang)源经(jing)过光(guang)(guang)学系统后(hou)形成点(dian)光(guang)(guang)源,点(dian)光(guang)(guang)源、点(dian)照明和(he)点(dian)探测(ce)三者满足系统光(guang)(guang)学共轭(e)要求(qiu)。当(dang)被测(ce)物(wu)位于点(dian)光(guang)(guang)源共轭(e)像(xiang)(及点照明)位置(zhi)时,点探(tan)测(ce)(ce)器(qi)(qi)上收集(ji)的(de)(de)到光(guang)(guang)能最强(qiang);而当本(ben)次样(yang)品(pin)正离焦或负离焦时,由于针孔的(de)(de)遮(zhe)挡作(zuo)用,点探(tan)测(ce)(ce)器(qi)(qi)上收集(ji)到的(de)(de)光(guang)(guang)能迅速衰减。从(cong)而通过(guo)轴向(xiang)(纵向(xiang))扫(sao)(sao)描,判断光(guang)(guang)强(qiang)出现最大值的(de)(de)位置(zhi)即可实现被测(ce)(ce)样(yang)品(pin)的(de)(de)轴向(xiang)测(ce)(ce)量,进而结合横(heng)向(xiang)测(ce)(ce)量结果(guo)可实现对被测(ce)(ce)样(yang)品(pin)的(de)(de)三(san)维扫(sao)(sao)描测(ce)(ce)量。

 

激光共焦显微系(xi)统纵(zong)向(xiang)扫(sao)描(miao)(miao)一(yi)般采用压(ya)电陶瓷驱(qu)动(dong),压(ya)电陶瓷实(shi)现(xian)轴(zhou)向(xiang)扫(sao)描(miao)(miao)也分为驱(qu)动(dong)物(wu)扫(sao)描(miao)(miao)方(fang)式(shi)与驱(qu)动(dong)测(ce)量物(wu)镜(jing)轴(zhou)向(xiang)移(yi)动(dong)实(shi)现(xian)点(dian)照明光斑(ban)轴(zhou)向(xiang)扫(sao)描(miao)(miao)方(fang)式(shi)。使用物(wu)扫(sao)描(miao)(miao)方(fang)式(shi)需要移(yi)动(dong)被测(ce)样品沿轴(zhou)向(xiang)步进扫(sao)描(miao)(miao),会(hui)引入因样品运动而产生的(de)测量误差(cha),影响测量结果。采用光(guang)束扫描(miao)方(fang)式时,测(ce)量(liang)物(wu)镜(jing)被(bei)固定在压电(dian)陶瓷(ci)载物(wu)镜(jing)微位移台上,被(bei)测(ce)样品固定在载物(wu)台上,并且在整个(ge)测(ce)量(liang)过(guo)程(cheng)中(zhong)均保持不动(dong);扫描(miao)过(guo)程(cheng)中(zhong),压(ya)电陶瓷载物镜微位移台驱动测量物镜沿(yan)(yan)轴向(xiang)步进,从而使共焦点照明(ming)光斑沿(yan)(yan)测量样(yang)品轴向(xiang)移动,实现了对被测样品的(de)轴向扫描。并且采用该扫描方(fang)式(shi)可以获得高轴向扫描精度及大测量量程,应用灵活,机构简单便于(yu)操作,对系统有很大(da)的(de)适应性(xing),特别适合于(yu)对工业微结构样品的(de)检测。

 

2 压电陶(tao)瓷驱动纵(zong)向扫(sao)描

 

常(chang)用的横向(xiang)扫描方式主(zhu)要有三种:一种是物扫描,即聚焦光(guang)斑不动移动样本(ben)进行(xing)(xing)扫描(miao);另一种(zhong)是光(guang)束扫描(miao),即样本(ben)不动通过移动激光(guang)束进行(xing)(xing)扫描(miao)。

 

物扫描(miao)方(fang)式,如图(tu)所示,是指(zhi)聚(ju)焦光(guang)斑保持不动(dong),通过三维扫描(miao)载(zai)物台移动样品(pin)来(lai)实现扫描(miao),这种(zhong)方法的缺点是测量效率严重受制(zhi)于载(zai)物台的机械(xie)扫描(miao)速(su)度,使其在(zai)高速(su)成像(xiang)应用(yong)领域中受到了极大限(xian)制(zhi)。图3所(suo)示为载物(wu)台三维(wei)扫描机械结构示意图。

 

3 物扫描方(fang)式示意(yi)图(tu)

 

光束扫描方式通过偏(pian)转(zhuan)扫描光束进行横向测量(liang),进而结(jie)合轴(zhou)向(xiang)扫描,可(ke)以实(shi)现对测(ce)量(liang)样品(pin)的三维快(kuai)速(su)成像(xiang)。在横向(xiang)扫描时,被(bei)测(ce)样品(pin)保(bao)持不动,可(ke)以实(shi)现快(kuai)速(su)面扫描,并且能保持高测量(liang)分(fen)辨力。因此,为(wei)了实(shi)现共焦显微测量(liang)系统对工业(ye)微结构样品的(de)快(kuai)速三维扫描(miao)成像,采(cai)用(yong)光束扫描(miao)方式(shi)作(zuo)为(wei)横向扫描(miao)手段得到了广(guang)泛的(de)应(ying)用(yong)。

 

4 基于振镜(jing)平面扫描的共焦显微系

 

应用

 

共(gong)(gong)聚焦显(xian)微(wei)镜有(you)较(jiao)高的(de)分辨率,而且(qie)能观(guan)察到样本随时间的(de)变化。因此,共(gong)(gong)聚焦显(xian)微(wei)技术(shu)在(zai)生物学(xue)研究领域(yu)起着(zhe)不可或缺的(de)作用。除(chu)了在(zai)生物及(ji)(ji)医学(xue)研究领域(yu),共(gong)(gong)聚焦显(xian)微(wei)镜在(zai)陶瓷、金属(shu)、半导体(ti)、芯片等材料科学(xue)及(ji)(ji)生产(chan)检测领域(yu)中(zhong)也具(ju)有(you)广泛的(de)应(ying)用。

  1. 材料科学,新(xin)材料研发(fa),缺陷分(fen)析(xi)(xi),失效分(fen)析(xi)(xi),传统金相(xiang)分(fen)析(xi)(xi);
  2. 摩擦(ca)学、腐蚀(shi)等表面工程(cheng)(cheng),磨痕的体积测(ce)量(liang)(liang),粗糙(cao)度测(ce)量(liang)(liang),表面形(xing)貌,腐蚀(shi)以(yi)及(ji)亚(ya)微米(mi)表面工程(cheng)(cheng)后的表面形(xing)貌;
  3. MEMS,微米(mi)和亚微米(mi)级部(bu)件的(de)尺寸测量,各种工艺(显(xian)影(ying)、刻(ke)蚀、金属化、CVDPVDCMP等)后(hou)表面形(xing)貌观察,缺陷(xian)分析,透光膜厚测量(liang);
  4. 半导体(ti)/LCD,各种工艺(显影、刻蚀(shi)、金属化、CVDPVDCMP等(deng)(deng))后(hou)表面形(xing)貌观察(cha),缺(que)陷分析非接触型的线(xian)宽,台阶深度等(deng)(deng)测量,及GOLD BUMP的(de)*度与表面(mian)粗(cu)糙度;
  5. 精密机械部件(jian)(jian),电子器(qi)件(jian)(jian),微(wei)米和(he)亚(ya)微(wei)米级部件(jian)(jian)的(de)尺寸测量,各种表面(mian)处理、焊接工艺后的(de)表面(mian)形貌(mao)观察,缺陷(xian)分析,颗(ke)粒(li)分析;
  6. 精密(mi)PCB制造,激光钻孔后的(de)孔径测量(亚微米到微米),铜线线宽(kuan),基(ji)板(ban)表面粗糙度和(he)三维形貌;
  7. 化(hua)学薄膜(mo)厚(hou)度测量、膜(mo)表面粗糙度测量。

 

参考文献

[1]唐建(jian)波. 基于光束扫描的(de)共(gong)焦显微三(san)维测量技术研究(jiu)[D].哈(ha)尔(er)滨工业大学,2011.

[2]郭雨晗. 共焦(jiao)显微系统中移焦(jiao)探测(ce)方法研究[D].哈尔滨(bin)工业大学,2019.

[3]盛忠. 高分辨激光共焦/差动共焦样品扫描显微成像技术与系统[D].北京理(li)工大学,2017.

[4]林广升(sheng). 数字共(gong)焦显微技术压电(dian)物镜控(kong)制器(qi)设(she)计(ji)[D].广(guang)西大学,2015.

[5]罗榴彬. 基于共焦显微拉曼光(guang)谱对云纹叶枯(ku)病侵染下茶叶细胞壁的(de)变(bian)化研究[D].浙江大学,2015.

2021年11月(yue)29日 14:50
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