蔡司CSM700-3D共聚焦顯微鏡操作手冊(cè)(修改)

1、Axio CSM 700真實(shí)色共聚焦顯微鏡非接觸式三維測(cè)量顯微鏡系統(tǒng)介紹：Axio CSM 700真實(shí)色共聚焦顯微鏡以共聚焦光學(xué)為基本原理，使用高速線掃描為成像方法，并采用氙燈為真實(shí)色光源，是一款能夠快速提供工業(yè)零部件表面彩色三維輪廓，并且完全不接觸測(cè)試樣品的儀器設(shè)備。它具有三大“獨(dú)門(mén)絕技”：共聚焦、線掃描、白光源。由于采用了共聚焦成像原理，Axio CSM 700將傳統(tǒng)光學(xué)分辨率提高 1.4倍，其XY方向線分辨率達(dá)到160 nm。同時(shí)，在充分利用共聚焦能提供高度信息的基礎(chǔ)上，Axio CSM 700配備了精度高、重復(fù)性好的 Z軸自動(dòng)步進(jìn)裝置，最小步進(jìn)精度達(dá)到10nm，這使得高度上亞微米，甚至

2、納米尺度的非接觸式精確測(cè)量成為可能。傳統(tǒng)共聚焦采用點(diǎn)掃描成像，速度較慢；而Axio CSM 700采用線掃描，成像速度大大提高，最快的 WF模式掃描速度超過(guò) 100幅/秒，可以說(shuō)瞬間即可得到測(cè)量結(jié)果，大大提 高工作效率。同時(shí)，Axio CSM 700使用白色光源，能夠展現(xiàn)被測(cè)試樣表面的真實(shí)顏色，從而將傳統(tǒng)黑白共聚焦掃描顯微鏡拓展到更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。圖1實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)分部圖線掃描共聚焦成像原理圖2顯微鏡光路圖氙燈照明器1發(fā)出的白光經(jīng)過(guò)線性照明器 2變成一組線光源，該組線光源隨著2的精確移動(dòng) 從而實(shí)現(xiàn)在XY方向的線掃描。掃描光束經(jīng)過(guò)半反半透分光鏡3，然后到達(dá)物鏡最終到達(dá)樣品表面4，攜帶樣品表面高度信息

3、的光束從樣品表面4反射，經(jīng)過(guò)分光鏡 3以及聚焦棱鏡最后到達(dá)線性探測(cè)器 5,該線性探測(cè)器5通過(guò)與線性照明器 2的精確同步，實(shí)現(xiàn)僅對(duì)焦平面光 線的探測(cè)，也就是滿足共聚焦基本原理的探測(cè)。最后，通過(guò)精密Z軸自動(dòng)步進(jìn)裝置移動(dòng)樣品4,得到樣品表面不同高度位置的一系列聚焦圖像，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算得到樣品表面三維形 貌。參數(shù)指標(biāo)共聚焦掃描分辨率1280 x 1024 像素水平方向（XY）線分辨率160 nm高度方向（Z）精度最小Z步進(jìn)精度10nmXY測(cè)量可重復(fù)性（3）0.01 m高度測(cè)量可重復(fù)性（）0.02 m高度測(cè)量范圍最大可達(dá)15mn,最小0.02 m最大樣品咼度63mm最大放大倍數(shù)67500x（150x物鏡

4、、16x數(shù)碼放大條件下）光源氙燈，波長(zhǎng)400-700nm共聚焦掃描速度7.5fps （高速彩色模式）；100fps （WF模式）減震裝置機(jī)架缺省配置減震裝置可測(cè)量得到參數(shù)2D:長(zhǎng)度，面積，面積比，直徑，周長(zhǎng)，形貌，角度， 圖像校正等。3D:高度，粗糙度（據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DIN EN ISO 4287），體積，表 面積，顆粒度分析等。其它：圖像拼接、報(bào)告輸出。表1顯微鏡參數(shù)表蔡司 CSM700 3D 共聚焦顯微鏡簡(jiǎn)易操作手冊(cè)系統(tǒng)介紹 : 1線掃描共聚焦成像原理 2參數(shù)指標(biāo) 31 開(kāi)機(jī)及校準(zhǔn) 51.1 開(kāi)機(jī) 51.2 時(shí)間校準(zhǔn)( timing setting) 52 圖像掃描與處理 82.1 圖像掃描 82

5、.2 圖像處理 92.2.1 噪聲去除 112.2.1.1 Noise cut 方法 112.2.1.2 F_Z Noise Cut方法 132.2.1.3 利用 Noise Cut的具體實(shí)例 163 常用測(cè)量介紹 203.1 高度測(cè)量 203.2 長(zhǎng)度及寬度測(cè)量 213.3 粗糙度測(cè)量 214 圖像輸出與保存 225 關(guān)機(jī)及維護(hù) 235.1 關(guān)機(jī)步驟 23保養(yǎng)及維護(hù) 231開(kāi)機(jī)及校準(zhǔn)1.1開(kāi)機(jī)打開(kāi)燈箱上的開(kāi)關(guān)使氙燈進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)約15分鐘，然后打開(kāi)lamp和shutter,扭動(dòng)鑰匙打開(kāi)控制面板，打開(kāi)電腦和顯示器以及軟件進(jìn)入預(yù)覽工作界面。1.2 時(shí)間校準(zhǔn)(timing setting)系統(tǒng)預(yù)熱完

6、成后，雙擊 Live預(yù)覽窗口。在20倍物鏡下放置一干凈的載玻片，此時(shí)使用NORMAL模式，粗調(diào)找到載玻片的上表面后鎖住，再細(xì)調(diào)到載玻片表面清晰（圖3）。時(shí)間校準(zhǔn)并不是每次都要進(jìn)行的， 只需要在首次使用時(shí)進(jìn)行此操作。大約每隔幾個(gè)月可以進(jìn)行一次。圖3 NORMAL模式下載玻片表面清晰圖像聚焦清晰后點(diǎn)擊狀態(tài)欄的按鈕進(jìn)入Timing Adjustment （圖4）Navigator窗口大小設(shè)置為400%。在彈出窗口中點(diǎn)擊丨Fw 咖伽亦|開(kāi)始時(shí)間校準(zhǔn)直至結(jié)束（圖5和圖6）。圖4時(shí)間校準(zhǔn)導(dǎo)航設(shè)置畫(huà)面圖5時(shí)間校準(zhǔn)進(jìn)行中畫(huà)面圖6時(shí)間校準(zhǔn)完成時(shí)的畫(huà)面2圖像掃描與處理2.1圖像掃描時(shí)間校準(zhǔn)完成后點(diǎn)擊 Ok結(jié)束，并

7、把控制面板的掃描模式選為Normal模式。調(diào)節(jié)顯微鏡鏡體的粗調(diào)到適宜高度，放上待測(cè)的樣品，從10倍開(kāi)始粗調(diào)焦直到樣品清晰后鎖住，再細(xì)調(diào)到樣品像清晰（圖7），需要高倍觀察的則轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)盤(pán)切換物鏡并調(diào)焦清晰。此時(shí)把控制面板調(diào)到Con focus模式，能看到像的顏色發(fā)生改變（圖8）。設(shè)置一個(gè)參考平面（Ref），轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)調(diào)旋鈕設(shè)置掃描樣品的下限（Down ）以及上限（Up）（設(shè)置上下限最好在上下表面信號(hào)恰好消失時(shí)為準(zhǔn)），并設(shè)置掃描的時(shí)間（Scan time）為30S。按控制面板的 Start并點(diǎn)擊 OK開(kāi)始掃描（圖9）。掃描結(jié)束后得到掃描后的圖像。圖7 NORMAL模式下10倍物鏡粗調(diào)焦后鎖住，再微調(diào)細(xì)

8、調(diào)得到的樣品清晰畫(huà)面圖8 Confocus模式下圖7的變化結(jié)果karrtQrrig' 8 圖9粗聚焦完成，物品掃描結(jié)束2.2圖像處理掃描結(jié)束后關(guān)掉預(yù)覽窗口，點(diǎn)擊狀態(tài)欄Fr按鈕，此時(shí)為二維圖顯示（圖 10）。因?yàn)樵趻呙柽^(guò)程中會(huì)有振動(dòng)以及光照的影響，這些在樣品結(jié)果中我們稱為噪音，為了更好的顯示圖 像需要去除噪音的干擾。圖10掃描完成后，二維顯示圖站ipTL削 I WindwiAVj Hh 卩嚴(yán).1RecordEdit EammandEI總 | Default*I i£ T = *| J>a去 |4*4+1 2£m.os uo：綸:址I 150X1 &國(guó)圖1

9、1選用不同的倍數(shù)觀察去噪結(jié)束后得到樣品的圖像， 然后就可以對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，主要包括高度、長(zhǎng)度及寬度、粗糙度等等。2.2.1噪聲去除噪聲的來(lái)源很多，比如異常的震動(dòng)（檢測(cè)的時(shí)候突然碰到桌子）， 樣品表面臟東西造成 的異常反光信號(hào)，樣品存在傾角過(guò)大的斜坡， 等等都會(huì)造成明顯的噪聲。 噪聲信號(hào)在所有的 電子設(shè)備中都是存在的， 是一個(gè)普遍問(wèn)題，如果用合適的方法把噪聲去除后， 就不會(huì)對(duì)測(cè)量 產(chǎn)生影響。221.1 Noise cut 方法I illr（轉(zhuǎn)化為高度圖）總的步驟：掃描后的圖像睛怎入-OK首先選取工具欄的標(biāo)記工具圖12標(biāo)記工具所在區(qū)域圖13所用的符號(hào)然后在Z圖中選取噪聲區(qū)域圖14禾U用圖13的工具

10、選取噪聲區(qū)域的操作圖接著就會(huì)彈出如下高度圖001 ill33-IQ.C1 二腳処*圖15經(jīng)過(guò)如圖14的操作得到的高度效果圖町匚：孑ladl-J二：一 二IQJCW1C 二 調(diào)整圖15中四條線的位置，測(cè)出噪聲的高和寬，得到如下的數(shù)據(jù)MeasureValueUnit |Height32195.000nmLength35217.298nmDistance47715 575nmAngle42.433deg圖16經(jīng)過(guò)調(diào)整圖15中四條線的位置得到的高度和寬度圖然后輸入Noise Cut的值：Size為噪聲的寬度，而Noise cut level可以取噪聲高度的1/3 , 具體噪聲。在 Noise Cut的

11、Size中將10.00um改為35.22，將Noise cut level中的1.00um改為 32.2/3的結(jié)果，然后點(diǎn)擊OK即可。圖17 Noise Cut的初始界面2.2.1.2 F_Z Noise Cut方法總的步驟：掃描后的圖像砧ng。Proem注ingfP |_霍生至"（轉(zhuǎn)化為高度圖）F_ZCut（朗在Z高度圖中，一般小的噪聲點(diǎn)是尖刺，在圖像中則顯示為白點(diǎn)，那么我們可以根據(jù) 定的CUT值使白點(diǎn)消除。把十字線都移動(dòng)到白點(diǎn)上（噪聲點(diǎn)），可以在截面圖中看出白點(diǎn)是尖刺。Fill mode設(shè)置為Fill Zero，然后再圖18中進(jìn)行調(diào)整。圖18 F_Z Noise Cut方法的界面

12、操作圖調(diào)節(jié)Threshold的值，可以看出隨著Threshold值的變化毛刺漸漸消失。但是，此時(shí)毛刺消失的時(shí)候會(huì)有一些毛刺被切成空洞，為了反映樣品的真實(shí)情況需要把空洞根據(jù)高度趨勢(shì)填平。那么只需要再毛刺切除后把Fill Mode改為： ' 一即可。現(xiàn)在 參考圖19和圖20的對(duì)比，其中Threshold值調(diào)節(jié)為32時(shí)的尖刺消失，但有孔洞產(chǎn)生r F r ZiCkigiral; 7 可氏辰阿ThrQgTiOld3?Clannl |S罔卄說(shuō)鬢|罔11空©茴;圖19 Fill mode 設(shè)置為Fill Zero時(shí)的去噪效果圖Fill Mode 設(shè)置為Z Interpolation后孔洞按

13、照高度變化的趨勢(shì)被填平:圖20 Fill mode 設(shè)置成Z Interpolation時(shí)的去噪效果圖去噪前后的對(duì)比3D圖如下：可以看岀處理后的內(nèi)壁要光滑，噪聲毛刺較少。圖21去噪前的3D效果圖圖22經(jīng)過(guò)F_Z去噪后的3D效果圖2.2.1.3 利用Noise Cut的具體實(shí)例原始數(shù)據(jù)如下圖23:圖23 去噪前的3D Display圖圖24去噪后的3D Display 圖有的設(shè)備去除噪聲的方法是直接對(duì)整個(gè)圖像取平均，也就是將尖峰和周圍的信號(hào)平均起來(lái),這樣異常的噪聲信號(hào)就被去除了。我們的CSM提供了這種方法（Image Processing - Filter菜單）除了這個(gè)方法，CSM還提供了另外一

14、個(gè)更有針對(duì)性的去除噪聲的算法，就是根據(jù)噪聲信號(hào)的范圍和強(qiáng)度，只處理噪聲周圍的信號(hào)，對(duì)噪聲進(jìn)行“切除”。具體的菜單是Noise Cut和F_Z Noise Cut如圖25。Innage Processing®MeasureQSFilter®Detect Edge©Accent(A)Cal<ulate(O).Extra ct(C)Morphology(M)3D MorphologiicsIfH)"* Delete Area(D).Geometric Conversion(ii) F_Z Tmage(L)Color F Composition舊L Ddt

15、j IntwfOQNoise Cut(N).+.圖25 Noise Cut 和F_Z Noise Cut菜單的位置圖26 Noise Cut的初始界面我們用的較多的是Noise Cut，它界面參數(shù)的含義是指如果在size指定的范圍內(nèi)，樣品表面高度超過(guò)noise cut level指定的數(shù)值，會(huì)被認(rèn)為是噪聲，然后用 size范圍內(nèi)的平均高度來(lái)代替噪聲。建議的參數(shù)設(shè)置方法是先量到異常尖峰的高度和寬度，如下圖27中的35um和23um,然后1/3高度作為noise cut level ，將寬度作為size，就可以進(jìn)行噪聲的去除了。3D圖像圖27舉例說(shuō)明Noise Cut的使用方法去噪結(jié)束后點(diǎn)擊狀態(tài)欄

16、的3D按鈕，這樣就會(huì)給出當(dāng)前圖像的三維顯示,X It5S2ilum IX卩職Slum131390y | Ufrqih32訊£ |朗E2 | ” Ml irfif.帥睢-J.K站457SttnPoHT§ EndFiohl*卜»5如汕坤31曬1J5 STS Um11戰(zhàn)的】um的顯示如圖28。但請(qǐng)注默認(rèn)的顯示是側(cè)面光照，為了更好的顯示圖像效果需要去除光照:右鍵一setting lighting，勾掉 Enable light （如圖 29）。圖28去噪后的初步3D效果圖圖29去3D效果圖光照的操作界面3常用測(cè)量介紹3.1高度測(cè)量高度的測(cè)量是基于先得到測(cè)量區(qū)域的輪廓線，然

17、后用兩條線所夾的高度差表示相對(duì)高度。十+ 分別表示任意的輪廓、水平線的輪廓以及垂直線的輪廓，如圖30所示上方是二維圖下方是圖中黃線的輪廓線（垂直線），那么在輪廓線中就可以測(cè)量凸起的寬度以及高度。耳七躬；i曠T-F 74 "* 上屮"卜；耳.H * TTtt fiMTJf- - T1;沖”衛(wèi):;圖30高度測(cè)量演示圖Overlay如果想把輪廓線疊加到二維圖上所進(jìn)行的操作為：在輪廓圖上點(diǎn)擊右鍵并選擇on Image window 即可，圖31為二維效果圖。圖31輪廓線在二維圖上的效果圖3.2長(zhǎng)度及寬度測(cè)量長(zhǎng)度和寬度的測(cè)量也是在二維圖上進(jìn)行的，“t分別代表長(zhǎng)度、角度、平行線的測(cè)量以

18、及輸出到表格按鈕。選中相應(yīng)的按鈕在要測(cè)量的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量如圖32。注意,在測(cè)量的過(guò)程中每結(jié)束一次測(cè)量后點(diǎn)擊把數(shù)據(jù)輸出到表格，然后再進(jìn)行下一次的測(cè)量。一一丄一丄 |ii=nri n i '1 I i b » i11f F /(XIOfC593 U5：.F ZriaetJX-D)Cb93甌'r ww n 7i i 一片的 et« »-> - - r ° rMix*.E93.H5 ITdal :卻58 39?Aft*Mi JO 兩2003：圖32在二維圖上測(cè)長(zhǎng)和寬3.3粗糙度測(cè)量粗糙度的測(cè)量是以高度測(cè)量為基礎(chǔ)來(lái)評(píng)估樣品表面的平滑程度。同樣粗

19、糙度的測(cè)量也是在二維圖上進(jìn)行的，_irr分別表示面粗糙度、線粗糙度以及輸出結(jié)果到表格按鈕。 選擇相應(yīng)的按鈕后在圖像上選擇要測(cè)量的區(qū)域后測(cè)量結(jié)果會(huì)自動(dòng)彈出（圖33）。 3： 陣-MH>«rM -1«jnsttMwv粒J 214IM* «4Vjfw*ijfirita. 4|.l*49JKL屮sw亦»%>11Z%W-434-H4ir OK *-KL&HJ hK »H-M* KK « rar%-. rs ' .-1 -»-KHh血*”恤«brr EK K血%!-W Mlw3 穴 Inf ttAm“出nq»oiin*-DAtanEEnWeimnr HdalIHH-"DriMhItoat iiRtcl*rtr-EL4WwriWn.lb-UD*nAri<iflirty V。禪HmIIt*-riBKtalV EM"A Vi圖33粗糙度測(cè)量的相關(guān)界面4 圖像輸出與保存軟件中圖像的格式為 lms 格式需要轉(zhuǎn)化為 Jpg 等圖像格式輸出。 圖像的輸出包括以下幾 種方法：（1）在圖像（或輪廓線）上點(diǎn)擊右鍵 一Transfer To LayoutImage File,這種輸出方式的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)圖像及數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯排版并可