非接觸式表面粗糙度、形狀測量儀

■非接觸式

非接觸式是以光線代替接觸式觸針。包括共焦方式和白色干涉方式等多種不同原理的方式。此外，也有僅將接觸式檢測器改為光傳感器型或顯微鏡類型等多種形態(tài)。在此，以基恩士的形狀測量激光顯微系統(tǒng)VK-X 系列為例，對共焦方式進行說明。

形狀測量激光顯微系統(tǒng)是利用共焦原理，對目標物表面凹凸進行測量的顯微鏡。使用激光光源。系統(tǒng)構成如右圖所示，將目標物放置在測量部的XY 載物臺上進行測量。

基恩士的形狀測量激光顯微系統(tǒng)VK-X 系列的測量部內(nèi)部安裝了XY 掃描儀，使用激光光源以X 方向Y 方向?qū)δ繕宋锏谋砻孢M行掃描，可獲取表面的凹凸數(shù)據(jù)。以下將為您說明原理。

?形狀測量激光顯微系統(tǒng)的測量原理

1.       (1) 從激光光源發(fā)出的激光會掃描目標物表面。

2.       (2) 從目標物表面反射的激光會通過半反射鏡，進入光接收元件。此時，將存儲入光反射的光量和鏡頭的高度位置。激光顯微鏡所獲取的數(shù)據(jù)數(shù)為X 方向1024 個數(shù)據(jù)，Y 方向768 個數(shù)據(jù)，并存儲1024 × 768 ＝ 786432 點各個點的反射光量和鏡頭的高度位置。

3.       (3) 完成一個面的掃描后，接物透鏡將以指定的間距向Z 方向移動。

4.       (4) 在移動的面上進行相同的面掃描，以1024 × 768 的點檢查激光的反射光量。將各自像素的反射光量與v 存儲的反射光量進行比較，如果數(shù)值較高，可改寫反射光量的數(shù)據(jù)和鏡頭的高度位置數(shù)據(jù)。

5.       (5) 依照指定的Z 距離，反復進行(2) 至(4) 的動作。

6.       (6) 在最終1024 × 768 的各像素中，將會存儲各自像素中激光反射時的反射光量和鏡頭的高度位置。

7.       (7) 光學式顯微鏡對焦于目標物的WD（工作距離：接物透鏡與目標物之間的距離）是固定的。如果將反射光量最大時視為對焦（焦點），只要將對焦（焦點）時（即反射光量最大時）的鏡頭高度位置連接對準，即可獲取顯微鏡觀測范圍（1024 × 768 像素）的3D 數(shù)據(jù)。

?形狀測量激光顯微系統(tǒng)的測量精度

利用“對焦（焦點）時反射光量最大"這一共焦原理的顯微鏡測量精度，會受到正確讀取反射光量峰值的能力的較 大影響。構成共焦光學系統(tǒng)的方式有很多。以下說明基恩士的形狀測量激光顯微系統(tǒng)所采用的“針孔共聚焦方式"。針孔共聚焦方式是在光接收元件的前面設計了針孔。針孔的直徑僅為數(shù)10μm，其功能是在不對焦時切斷反射光。下圖的“對焦時"，通常的光學系統(tǒng)和激光共焦點光學系統(tǒng)的反射光均會進入光接收元件。觀察“未對焦時"，通常光學系統(tǒng)的反射光（焦點模糊光線）會進入光接收元件，但激光共焦點光學系統(tǒng)的反射光（焦點模糊光線）則會被針孔切斷。即只有在對焦時反射光才會進入光接收元件，以此為依據(jù)構成共焦光學系統(tǒng)。

如右圖所示，使用共焦光學系統(tǒng)和通常的光學系統(tǒng)，對實際入光的反射光量進行模擬。共焦光學系統(tǒng)在焦點位置的反射光量會描繪出峰，但通常的光學系統(tǒng)則會描繪出平穩(wěn)的曲線。由于焦點位置附近沒有明顯的峰，因此檢測焦點位置非常困難。

?激光的XY 方向分辨率

非接觸式的光點相當于接觸式的觸針。由于非接觸式與接觸式不同，不會直接接觸目標物，因此不會有觸針磨損或目標物損傷的缺點。但是，為了正確測量目標物的形狀，光點直徑的大小非常重要。光點直徑越大，越只能獲取比實際形狀更加平滑的數(shù)據(jù)。
由于激光顯微鏡使用激光光源，因此可形成非常細微的光點。使用×150（N.A. ＝ 0.95）的接物透鏡

時，采用紫激光光源的VK-X 系列，平面空間分辨率可實現(xiàn)0.13μm 的分辨率。 接觸式無法測量的狹小寬度凹凸也可通過激光顯微鏡進行測量。

■非接觸式表面粗糙度、形狀測量儀的特點

也包含已說明的要點，將非接觸式的特點整理如下。

?優(yōu)點

·       - 不會損傷樣品表面

·       - 與接觸式比較，可測量細微凹凸

·       - 測量時間短

·       - 可與觀測圖像同時比較形狀（顯微鏡類型）

·       - 可獲取媲美SEM 的高分辨率、超深度圖像（彩色3D 激光顯微鏡）

?缺點

·       - 測量目標物的大小受限（部分顯微鏡類型）

?測量時間

形狀測量激光顯微系統(tǒng)掃描一個1024 × 768 的畫面大約耗時0.1 秒。獲取擁有100 級Z 方向數(shù)據(jù)的3D 數(shù)據(jù)所需時間大約為10 秒。若為一條橫向線條，則可在大約1.5 秒內(nèi)獲取1000 級的數(shù)據(jù)。

?同時比較觀測圖像和形狀& 獲取高分辨率、超深度圖像

形狀測量激光顯微系統(tǒng)可在測量過程中獲取激光反射光量信息。（參照激光顯微鏡測量原理）利用該激光反射光量信息， 可獲取目標物表面狀態(tài)的激光圖像。此外，VK-X 系列除了激光用的光接收元件之外，還內(nèi)置了彩色CCD 相機，因此可獲取目標物的顏色信息。由于激光圖像的分辨率非常高，且可將對焦部分重疊制作圖像，因此可獲得媲美掃描電子顯微鏡（SEM）的觀測圖像。此外，將該高分辨率的激光圖像加上彩色CCD 的顏色信息，便能以彩色畫面且位置都對焦的圖像進行觀測。（彩色超深度圖像）這是SEM 很難比擬的圖像。

測量粗糙度或形狀時，僅需在觀測畫面上指定點，即可進行形狀測量，因此具有以下優(yōu)點。

·       - 可正確指定測量點

·       - 由于可同時確認形狀和圖像可輕松確認結構

右圖為實際的形狀測量激光顯微系統(tǒng)VK-X 系列粗糙度測量畫面的示例。接觸式難以在基板的圖案上安裝觸針，但若為激光顯微鏡時，則可在畫面上輕松確認。

?支持大型目標物

通常，若為顯微鏡類型時，只能測量放置在XY 載物臺上的目標物。形狀測量激光顯微系統(tǒng)VK-X 系列擁有可將顯微鏡分為測量傳感頭部和基座部兩部分的結構。再搭配使用大型目標物專用夾具，就不會存在目標物限制。右圖是與FPD 觸摸屏用大型載物臺組合的示例。

并非測量粗糙度。“分析"粗糙度的時代已經(jīng)到來。

不僅僅是得出測量值，還可以了解被測目標具體的“差異化"的形狀測量激光顯微系統(tǒng)VK-X系列。

基恩士VK-X系列形狀測量激光顯微鏡有粗糙度測量相關功能，在半導體行業(yè)、材料行業(yè)、顯示行業(yè)、電子零件行業(yè)、印刷電路板/芯片安裝行業(yè)、汽車行業(yè)等都有豐富的應用案例，如需進一步了解設備詳情以及行業(yè)應用信息，可通過電話、留言、在線咨詢等方式聯(lián)系我們，我們將竭誠為您服務。