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。在此，以基恩士的形狀測量激光顯微系統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VK-X 系列的測量部內部安裝了XY 掃描儀，使用激光光源以X 方向Y 方向對目標物的表面進行掃描，可獲取表面的凹凸數據。以下將為您說明原理。

?形狀測量激光顯微系統的測量原理

1.       (1) 從激光光源發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據數為X 方向1024 個數據，Y 方向768 個數據，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，如果數值較高，可改寫反射光量的數據和鏡頭的高度位置數據。

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 數據。

?形狀測量激光顯微系統的測量精度

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。構成共焦光學系統的方式有很多。以下說明基恩士的形狀測量激光顯微系統所采用的“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”，通常的光學系統和激光共焦點光學系統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，以此為依據構成共焦光學系統。

如右圖所示，使用共焦光學系統和通常的光學系統，對實際入光的反射光量進行模擬。共焦光學系統在焦點位置的反射光量會描繪出峰，但通常的光學系統則會描繪出平穩的曲線。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據。
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 方向數據的3D 數據所需時間大約為10 秒。若為一條橫向線條，則可在大約1.5 秒內獲取1000 級的數據。

?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、材料行業、顯示行業、電子零件行業、印刷電路板/芯片安裝行業、汽車行業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應用信息，可通過電話、留言、在線咨詢等方式聯系我們，我們將竭誠為您服務。