【自有技术大讲堂】激光共焦显微技术

导读

共焦显微技术最早是由美国科学家M. Minsky在1957年提出，当时的主要目的是消除普通光学显微镜在探测样品时产生的多种散射光。20世纪60年代随着激光器的出现，共焦显微技术得到进一步的发展，激光的单色性可以有效提高共焦显微系统的分辨率，因此工业上用的共焦显微系统均采用激光作为光源。后来出现的光谱共焦与差动共焦技术均是在激光显微共焦技术基础上发展起来的。

原理

在激光显微共焦系统中，采用点光源照明样品，而携带样品信息的光被点探测器收集，最后利用横向和轴向扫描技术就可以获得整个样品的三维信息。激光共焦显微测量技术光学原理结构图如图1所示。

图1 激光共焦显微原理

激光光源经过光学系统后形成点光源，点光源、点照明和点探测三者满足系统光学共轭要求。当被测物位于点光源共轭像(及点照明)位置时，点探测器上收集的到光能最强；而当本次样品正离焦或负离焦时，由于针孔的遮挡作用，点探测器上收集到的光能迅速衰减。从而通过轴向（纵向）扫描，判断光强出现最大值的位置即可实现被测样品的轴向测量，进而结合横向测量结果可实现对被测样品的三维扫描测量。

激光共焦显微系统纵向扫描一般采用压电陶瓷驱动，压电陶瓷实现轴向扫描也分为驱动物扫描方式与驱动测量物镜轴向移动实现点照明光斑轴向扫描方式。使用物扫描方式需要移动被测样品沿轴向步进扫描,会引入因样品运动而产生的测量误差,影响测量结果。采用光束扫描方式时,测量物镜被固定在压电陶瓷载物镜微位移台上，被测样品固定在载物台上，并且在整个测量过程中均保持不动；扫描过程中,压电陶瓷载物镜微位移台驱动测量物镜沿轴向步进，从而使共焦点照明光斑沿测量样品轴向移动,实现了对被测样品的轴向扫描。并且采用该扫描方式可以获得高轴向扫描精度及大测量量程,应用灵活,机构简单便于操作，对系统有很大的适应性，特别适合于对工业微结构样品的检测。

图2 压电陶瓷驱动纵向扫描

常用的横向扫描方式主要有三种：一种是物扫描,即聚焦光斑不动移动样本进行扫描；另一种是光束扫描，即样本不动通过移动激光束进行扫描。

物扫描方式，如图所示,是指聚焦光斑保持不动,通过三维扫描载物台移动样品来实现扫描，这种方法的缺点是测量效率严重受制于载物台的机械扫描速度，使其在高速成像应用领域中受到了极大限制。图3所示为载物台三维扫描机械结构示意图。

图3 物扫描方式示意图

光束扫描方式通过偏转扫描光束进行横向测量,进而结合轴向扫描，可以实现对测量样品的三维快速成像。在横向扫描时，被测样品保持不动，可以实现快速面扫描,并且能保持高测量分辨力。因此，为了实现共焦显微测量系统对工业微结构样品的快速三维扫描成像，采用光束扫描方式作为横向扫描手段得到了广泛的应用。

图4 基于振镜平面扫描的共焦显微系

应用

共聚焦显微镜有较高的分辨率，而且能观察到样本随时间的变化。因此，共聚焦显微技术在生物学研究领域起着不可或缺的作用。除了在生物及医学研究领域，共聚焦显微镜在陶瓷、金属、半导体、芯片等材料科学及生产检测领域中也具有广泛的应用。

1. 材料科学，新材料研发，缺陷分析，失效分析，传统金相分析；
2. 摩擦学、腐蚀等表面工程，磨痕的体积测量，粗糙度测量，表面形貌，腐蚀以及亚微米表面工程后的表面形貌；
3. MEMS，微米和亚微米级部件的尺寸测量，各种工艺（显影、刻蚀、金属化、CVD、PVD、CMP等）后表面形貌观察，缺陷分析，透光膜厚测量；
4. 半导体/LCD，各种工艺（显影、刻蚀、金属化、CVD、PVD、CMP等）后表面形貌观察，缺陷分析非接触型的线宽，台阶深度等测量，及GOLD BUMP的*度与表面粗糙度；
5. 精密机械部件，电子器件，微米和亚微米级部件的尺寸测量，各种表面处理、焊接工艺后的表面形貌观察，缺陷分析，颗粒分析；
6. 精密PCB制造，激光钻孔后的孔径测量(亚微米到微米)，铜线线宽，基板表面粗糙度和三维形貌；
7. 化学薄膜厚度测量、膜表面粗糙度测量。

参考文献

[1]唐建波. 基于光束扫描的共焦显微三维测量技术研究[D].哈尔滨工业大学,2011.

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[4]林广升. 数字共焦显微技术压电物镜控制器设计[D].广西大学,2015.

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