超長(zhǎng)工作距離物鏡及其在測(cè)量和加工中的應(yīng)用

1、超長(zhǎng)工作距離物鏡及其在測(cè)量和加工中的應(yīng)用1.前言光學(xué)顯微鏡作為擴(kuò)大樣本圖像觀察的裝置從16世紀(jì)中葉就開始廣為使用，是一種相當(dāng)可靠的傳統(tǒng)裝置。作為一種有著漫長(zhǎng)發(fā)展歷史的光學(xué)設(shè)備，其基本原理已經(jīng)較為成熟，因此沒有大幅度變化。然而，為能夠不斷滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求，光學(xué)顯微鏡在功能和性能上一直不斷提高。近年來，以顯微鏡為基礎(chǔ)的非接觸3D視像測(cè)量?jī)x、顯微分光裝置、干涉儀或帶有顯微鏡/激光的精細(xì)加工機(jī)器相繼問世。這些產(chǎn)品在傳統(tǒng)顯微鏡所具有的基本功能上，增加了許多新功能。此外，人們現(xiàn)在已經(jīng)可以觀察到紅外線和紫外線的波長(zhǎng)范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可見光范圍。但物鏡顯微鏡的工作距離較短始終是這類設(shè)備應(yīng)用的重要限制因素之

2、一。本文將介紹的是三豐“FS物鏡顯微鏡系列”，其突出特點(diǎn)是工作距離長(zhǎng)，可觀察波長(zhǎng)范圍增大到近紅外線至紫外線范圍，從而使顯微鏡的應(yīng)用范圍也大大提高，并且更易于操作。2.開發(fā)背景與目標(biāo)近年來，半導(dǎo)體集成產(chǎn)業(yè)以令人矚目的速度向前發(fā)展，隨之而來的是從微米級(jí)到亞微米級(jí)的更高精度檢驗(yàn)需求。與此同時(shí)，各行業(yè)也正致力于開發(fā)出用于顯微鏡的新型、高性能物鏡，它們應(yīng)該比傳統(tǒng)物鏡可操作性更強(qiáng)、分辨率更高、工作距離更長(zhǎng)。同時(shí)，市場(chǎng)已提出對(duì)具有大數(shù)值孔徑和長(zhǎng)工作距離產(chǎn)品的迫切需求。面對(duì)這種挑戰(zhàn)，三豐重新審度了原有物鏡的45mm等焦面距離標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)大了鏡頭的觀察范圍，將等焦面距離提高到95mm。經(jīng)過不懈努力，三豐開發(fā)出具有高

3、倍率、大數(shù)值孔徑（高分辨率）和長(zhǎng)工作距離的新型高性能物鏡顯微鏡。（見圖1）3.FS物鏡顯微鏡特點(diǎn)FS顯微鏡采用無限遠(yuǎn)校正光學(xué)系統(tǒng)，通過使用一個(gè)物鏡和一個(gè)成像透鏡（光學(xué)管鏡頭）生成圖像。色差校正可由物鏡和成像透鏡獨(dú)立完成。因此FS物鏡系列產(chǎn)品自身就是一個(gè)完整的光學(xué)系統(tǒng)。因此，該系列產(chǎn)品不僅可以單獨(dú)使用，而且還可以作為擴(kuò)展系統(tǒng)的一部分，在擴(kuò)展系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)個(gè)人喜好對(duì)成像透鏡進(jìn)行設(shè)置，將物鏡組裝到自己現(xiàn)有的設(shè)備上。三豐可提供多種類型的成像透鏡和裝有這種光學(xué)系統(tǒng)的組合型視像顯微鏡VMU系列、高倍率顯微鏡FS70系列和VM-ZOOM系列、檢測(cè)用顯微鏡FS110T和高倍率測(cè)量顯微鏡MF系列。

4、0; 圖1、不同等焦面距離物鏡的比較 以上兩種系統(tǒng)均使用了一個(gè)超長(zhǎng)工作距離物鏡，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)顯微鏡無法實(shí)現(xiàn)的功能，因此可以說這是一種具有特殊可操作性的非比尋常的顯微鏡。通常，加大物鏡的工作距離，會(huì)導(dǎo)致多種色差問題發(fā)生。而MPlanApo系列的復(fù)消色透鏡通過選用低折射率反常色散玻璃和超低色散玻璃，實(shí)現(xiàn)了大范圍可見光的色差校正。這兩種玻璃的波長(zhǎng)折射率不同于普通光學(xué)玻璃。特別是由于能夠進(jìn)行橫向色差和散射光的校正，MPlanApo系列產(chǎn)品可以呈現(xiàn)更加清晰的圖像。4.FS物鏡顯微鏡規(guī)格FS物鏡顯微鏡有以下系列產(chǎn)品可供選擇。全部產(chǎn)品均具有超長(zhǎng)工作距離。  M Plan Apo系列

5、0;   M PlanNIR系列    BDPlan Apo系列    LCDPlan NIR系列    M PlanNUV系列    M PlanUV系列    LCDPlan NUV系列        G PlanApo系列     以上系列產(chǎn)品的特點(diǎn)和規(guī)格如下。4-1. M Plan Apo系列 和BDPlanApo系列M Plan Apo系列是在可見光范圍內(nèi)使用的顯微鏡用物鏡，適于進(jìn)行亮視場(chǎng)觀察，而BDPla

6、nApo系列則適于進(jìn)行亮/暗視場(chǎng)觀察。此外，還有具有超長(zhǎng)工作距離的M Plan Apo SL和BD PlanApoSL系列。4-2. M Plan NIR系列 和LEDPlanNIR系列該系列可對(duì)整個(gè)可見光和近紅外線范圍內(nèi)的色差進(jìn)行校正，同時(shí)提高了近紅外線范圍內(nèi)的透射率，是一款增強(qiáng)型超長(zhǎng)工作距離物鏡。LCDPlanNIR系列還特別考慮到液晶玻璃罩（厚度為t=1.1mm或t=0.7mm）的存在，而對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。4-3. M Plan NUV系列 和LCDPlanNUV系列MPlanNUV系列采用在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較高透射率的光學(xué)玻璃，可對(duì)整個(gè)可見光和近紅外線范圍內(nèi)的色差進(jìn)行校正。此外，還特

7、別為該系列產(chǎn)品開發(fā)了防反射涂層，這種涂層有助于保持短波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高透射率。同時(shí)與NIR系列產(chǎn)品一樣，本系列也具有考慮到液晶厚度的（t=0.7mm）專用物鏡。4-4. M Plan UV系列該系列是FS物鏡顯微鏡系列的最新產(chǎn)品，從去年開始，已經(jīng)有80X、50X和20X等型號(hào)上市。為確保在紫外線范圍內(nèi)能夠具有高透射率，三豐已將普通光學(xué)玻璃透鏡更換為螢石和石英材質(zhì)的透鏡。此外，還特別為該系列產(chǎn)品開發(fā)了防反射涂層。4-5. G Plan Apo系列使用物鏡觀察工件表面時(shí)，因?yàn)槭峭高^一層很厚的玻璃進(jìn)行觀察的，視像的對(duì)比度會(huì)由于玻璃產(chǎn)生的大量球面色差而明顯下降，當(dāng)使用高倍率或高NA物鏡時(shí)，這種影響顯得尤為

8、嚴(yán)重。GPlanApo系列是一種專為通過厚玻璃進(jìn)行觀察而設(shè)計(jì)的物鏡。通過一層很厚的玻璃觀察工件時(shí)，必需要選用具有長(zhǎng)工作距離的物鏡，因此，該系列產(chǎn)品充分體現(xiàn)了FS物鏡的特點(diǎn)和功能。該系列產(chǎn)品共分3種型號(hào)：2mm至5mm（標(biāo)準(zhǔn)型t=3.5mm,BK-7）玻璃厚度型；固定玻璃厚度型；和2mm至5mm玻璃厚度、連續(xù)色差校正型（使用一個(gè)可調(diào)內(nèi)部透鏡）。  表1、FS物鏡規(guī)格數(shù)值孔徑（NA）/工作距離（mm） 5.超長(zhǎng)工作距離物鏡典型應(yīng)用5-1. 半導(dǎo)體缺陷分析儀（探針臺(tái)）使用探針臺(tái)（半導(dǎo)體缺陷分析儀的一種類型）進(jìn)行顯微操作時(shí)，需要將探針（電極）插入顯微鏡下的鋁線圈，以進(jìn)行傳導(dǎo)性檢測(cè)。

9、（見圖2） 如果物鏡的工作距離過短，操作起來可能會(huì)非常困難。因此，這種情況下就需要使用超長(zhǎng)工作距離物鏡，通過裝配三豐“FS70系列”和“VM-ZOOM”，并與顯微鏡超長(zhǎng)工作距離物鏡系列產(chǎn)品并用，能夠?qū)崿F(xiàn)最佳性能。MPlan Apo、M PlanNIR、M Plan NUV和M PlanUV等幾乎全部型號(hào)的FS物鏡系列產(chǎn)品，均可有效地用應(yīng)于該領(lǐng)域。    圖2探測(cè)作業(yè)示意圖 5-2. 激光加工使用顯微鏡進(jìn)行激光微加工的最常用方法是掩膜投影法，這種方法通常要使用一個(gè)裝有顯微鏡的YAG激光儀。（見圖3）最初只將YAG基波（1064nm）用于此領(lǐng)域，后來又陸續(xù)開發(fā)出使用第

10、二諧波（532nm）、第三諧波（355nm）和第四諧波（266nm）的激光儀，今后還可能會(huì)開發(fā)出其它形式的激光儀。此外，準(zhǔn)分子激光已作為YAG激光的替代品并投入使用。與這些產(chǎn)品配套使用的三豐物鏡包括NIR系列、NUV系列和UV系列。用戶可根據(jù)實(shí)際需要選用最適合的類型（從近紅外線范圍的熱處理到紫外線范圍的光學(xué)處理）和根據(jù)具體材料選擇最適合的激光種類。由于這些物鏡具有長(zhǎng)工作距離，加工過程中很少會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)物污染鏡頭的情況。因此，加工厚玻璃罩內(nèi)的真空室或氣體環(huán)境中的工件就顯得較為容易。超長(zhǎng)工作距離物鏡還可用于修復(fù)半導(dǎo)體掩膜和LCD，或與裝配在“FS70”或“VM-ZOOM”激光端口上的三豐顯微鏡一起安

11、裝在探針臺(tái)，組成激光顯微鏡后，可通過激光剝離純化層進(jìn)行檢測(cè)。  圖3激光加工光學(xué)系統(tǒng)范例 5-3. CNC視像測(cè)量?jī)x今天，測(cè)量?jī)x器制造商正不斷地推出各種裝有顯微鏡系統(tǒng)的CNC視像測(cè)量?jī)x，規(guī)格相當(dāng)齊全。這些產(chǎn)品具有許多通用功能，例如降低檢測(cè)工作成本、提高工作效率，即使沒有經(jīng)驗(yàn)的用戶也可以用其得出精確的測(cè)量結(jié)果，改善了工作環(huán)境、工作更輕松等。 三豐已經(jīng)開發(fā)出可測(cè)量多種工件的QuickVision系列和QuickScope系列等多款產(chǎn)品。這些產(chǎn)品也可使用超長(zhǎng)工作距離物鏡。在視像測(cè)量?jī)x領(lǐng)域，長(zhǎng)工作距離物鏡的需求非常廣泛，尤其是能夠進(jìn)行大階差工件測(cè)量的三豐產(chǎn)品。此款多功能產(chǎn)品應(yīng)用范圍

12、十分廣泛，深為用戶所青睞。   圖4Quick VisionHybrid QVH250-PRO 5-4. 通過平行平板玻璃觀察三豐推出的“GPlanApo系列”可滿足此項(xiàng)任務(wù)的需求。盡管用戶需要的規(guī)格多種多樣，各不相同，但這些產(chǎn)品全面涵蓋了從紅外線到紫外線的大范圍波長(zhǎng)，使用了光學(xué)玻璃，而且還有石英、寶石玻璃、鉆石，甚至液體等多種并行平面材料，厚度約為0.5mm至20mm以上。此外，有些用戶還提出了對(duì)高NA型產(chǎn)品的需求，其應(yīng)用范圍也非常廣泛，包括觀察和激光加工以及作為聚光透鏡使用等。因此，F(xiàn)S物鏡顯微鏡系列產(chǎn)品幾乎可以滿足上述用戶紛繁復(fù)雜的多種需求。圖5為使用普通物

13、鏡顯微鏡無法完成，而使用超長(zhǎng)工作距離物鏡顯微鏡可以完成的一些工作，包括高溫室、低溫室、真空室、充氣室內(nèi)的工件和懸浮于液體中的工件的觀察等。用戶可根據(jù)規(guī)格定制所需的色差校正功能，某些功能可重復(fù)用于光學(xué)系統(tǒng)，從而可為用戶節(jié)省成本。超長(zhǎng)工作距離物鏡的特點(diǎn)之一就是用戶可隨時(shí)訂購這些產(chǎn)品的透鏡。  圖5通過平行平板玻璃觀察 5-5. 其它三豐還有許多采用了超長(zhǎng)工作距離物鏡的其它類型的光學(xué)設(shè)備和光學(xué)測(cè)量?jī)x器。以下為大家簡(jiǎn)要介紹幾款典型產(chǎn)品。 Hot  電子顯微鏡 用于半導(dǎo)體缺陷分析和漏射弱光檢測(cè) Interferometer  微型菲佐（Fizeau）干涉儀 裝配有顯微鏡物鏡的菲佐干涉儀   Linnik干涉儀 Michaelson干涉儀裝配有一對(duì)顯微鏡物鏡，一個(gè)用于參照用光學(xué)系統(tǒng)，另一個(gè)用于工件測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，兩個(gè)透鏡具有相同的波形曲率色差。  激光修復(fù)儀  用于半導(dǎo)體和掩膜缺陷的激光修復(fù)。  顯微分光裝置  使用顯微鏡測(cè)量微小部分的反射分光特