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超長工作距離物鏡及其在測量和加工中的應用
2016-07-12
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人們現在已經可以觀察到紅外線和紫外線的波長范圍，遠遠超過了可見光范圍。但物鏡顯微鏡的工作距離較短始終是這類設備應用的重要限制因素之一。本文將介紹的是三豐“FS物鏡顯微鏡系列”，其突出特點是工作距離長，可觀察波長范圍增大到近紅外線至紫外線范圍，從而使顯微鏡的應用范圍也大大提高，并且更易于操作。
1、前言
以上兩種系統均使用了一個超長工作距離物鏡，實現了傳統顯微鏡無法實現的功能，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，會導致多種色差問題發生。而M Plan Apo系列的復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，實現了大范圍可見光的色差校正。這兩種玻璃的波長折射率不同于普通光學玻璃。特別是由于能夠進行橫向色差和散射光的校正，M Plan Apo系列產品可以呈現更加清晰的圖像。
4. FS物鏡顯微鏡規格
FS物鏡顯微鏡有以下系列產品可供選擇。全部產品均具有超長工作距離。
以上系列產品的特點和規格如下。
4-1. M Plan Apo系列 和BD Plan Apo系列
M Plan Apo系列是在可見光范圍內使用的顯微鏡用物鏡，適于進行亮視場觀察，而BD Plan Apo系列則適于進行亮/暗視場觀察。此外，還有具有超長工作距離的M Plan Apo SL和BD Plan Apo SL系列。
4-2. M Plan NIR系列 和LED Plan NIR系列
該系列可對整個可見光和近紅外線范圍內的色差進行校正，同時提高了近紅外線范圍內的透射率，是一款增強型超長工作距離物鏡。LCD Plan NIR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，而對其設計進行了改進。
4-3. M Plan NUV系列 和LCD Plan NUV系列
M Plan NUV系列采用在短波長范圍內具有較高透射率的光學玻璃，可對整個可見光和近紅外線范圍內的色差進行校正。此外，還特別為該系列產品開發了防反射涂層，這種涂層有助于保持短波長范圍內的高透射率。同時與NIR系列產品一樣，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物鏡顯微鏡系列的新產品，從去年開始，已經有80X、 50X和20X等型號上市。為確保在紫外線范圍內能夠具有高透射率，三豐已將普通光學玻璃透鏡更換為螢石和石英材質的透鏡。此外，還特別為該系列產品開發了防反射涂層。
4-5. G Plan Apo系列
使用物鏡觀察工件表面時，因為是透過一層很厚的玻璃進行觀察的，視像的對比度會由于玻璃產生的大量球面色差而明顯下降，當使用高倍率或高NA物鏡時，這種影響顯得尤為嚴重。G Plan Apo系列是一種專為通過厚玻璃進行觀察而設計的物鏡。通過一層很厚的玻璃觀察工件時，必需要選用具有長工作距離的物鏡，因此，該系列產品充分體現了FS物鏡的特點和功能。該系列產品共分3種型號：2mm至5mm （標準型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、連續色差校正型（使用一個可調內部透鏡）。
5-2. 激光加工
使用顯微鏡進行激光微加工的常用方法是掩膜投影法，這種方法通常要使用一個裝有顯微鏡的YAG激光儀。（見圖3）只將YAG基波（1064nm）用于此領域，后來又陸續開發出使用第二諧波（532nm）、第三諧波（355nm）和第四諧波（266nm）的激光儀，今后還可能會開發出其它形式的激光儀。此外，準分子激光已作為YAG激光的替代品并投入使用。與這些產品配套使用的三豐物鏡包括NIR系列、 NUV系列和UV系列。用戶可根據實際需要選用適合的類型（從近紅外線范圍的熱處理到紫外線范圍的光學處理）和根據具體材料選擇適合的激光種類。由于這些物鏡具有長工作距離，加工過程中很少會出現蒸發物污染鏡頭的情況。因此，加工厚玻璃罩內的真空室或氣體環境中的工件就顯得較為容易。超長工作距離物鏡還可用于修復半導體掩膜和LCD，或與裝配在“FS 70” 或“VM-ZOOM”激光端口上的三豐顯微鏡一起安裝在探針臺，組成激光顯微鏡后，可通過激光剝離純化層進行檢測。
5-3. CNC視像測量儀
5-4. 通過平行平板玻璃觀察
三豐推出的“G Plan Apo系列”可滿足此項任務的需求。盡管用戶需要的規格多種多樣，各不相同，但這些產品全面涵蓋了從紅外線到紫外線的大范圍波長，使用了光學玻璃，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高NA型產品的需求，其應用范圍也非常廣泛，包括觀察和激光加工以及作為聚光透鏡使用等。因此，FS物鏡顯微鏡系列產品幾乎可以滿足上述用戶紛繁復雜的多種需求。圖5為使用普通物鏡顯微鏡無法完成，而使用超長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、充氣室內的工件和懸浮于液體中的工件的觀察等。用戶可根據規格定制所需的色差校正功能，某些功能可重復用于光學系統，從而可為用戶節省成本。超長工作距離物鏡的特點之一就是用戶可隨時訂購這些產品的透鏡。
5-5. 其它
三豐還有許多采用了超長工作距離物鏡的其它類型的光學設備和光學測量儀器。以下為大家簡要介紹幾款典型產品。
光學顯微鏡作為擴大樣本圖像觀察的裝置從16世紀中葉就開始廣為使用，是一種相當可靠的傳統裝置。作為一種有著漫長發展歷史的光學設備，其基本原理已經較為成熟，因此沒有大幅度變化。然而，為能夠不斷滿足日益增長的用戶需求，光學顯微鏡在功能和性能上一直不斷提高。近年來，以顯微鏡為基礎的非接觸3D視像測量儀、顯微分光裝置、干涉儀或帶有顯微鏡/激光的精細加工機器相繼問世。這些產品在傳統顯微鏡所具有的基本功能上，增加了許多新功能。此外，人們現在已經可以觀察到紅外線和紫外線的波長范圍，遠遠超過了可見光范圍。但物鏡顯微鏡的工作距離較短始終是這類設備應用的重要限制因素之一。本文將介紹的是三豐“FS物鏡顯微鏡系列”，其突出特點是工作距離長，可觀察波長范圍增大到近紅外線至紫外線范圍，從而使顯微鏡的應用范圍也大大提高，并且更易于操作。
2. 開發背景與目標
近年來，半導體集成產業以令人矚目的速度向前發展，隨之而來的是從微米級到亞微米級的更高精度檢驗需求。與此同時，各行業也正致力于開發出用于顯微鏡的新型、高性能物鏡，它們應該比傳統物鏡可操作性更強、分辨率更高、工作距離更長。同時，市場已提出對具有大數值孔徑和長工作距離產品的迫切需求。面對這種挑戰，三豐重新審度了原有物鏡的45mm等焦面距離標準，擴大了鏡頭的觀察范圍，將等焦面距離提高到95mm。經過不懈努力，三豐開發出具有高倍率、大數值孔徑（高分辨率）和長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
FS顯微鏡采用無限遠校正光學系統，通過使用一個物鏡和一個成像透鏡（光學管鏡頭）生成圖像。色差校正可由物鏡和成像透鏡獨立完成。因此FS物鏡系列產品自身就是一個完整的光學系統。因此，該系列產品不僅可以單獨使用，而且還可以作為擴展系統的一部分，在擴展系統中，用戶可以根據個人喜好對成像透鏡進行設置，將物鏡組裝到自己現有的設備上。三豐可提供多種類型的成像透鏡和裝有這種光學系統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、檢測用顯微鏡FS110T和高倍率測量顯微鏡MF系列。
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圖1、不同等焦面距離物鏡的比較 |
以上兩種系統均使用了一個超長工作距離物鏡，實現了傳統顯微鏡無法實現的功能，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，會導致多種色差問題發生。而M Plan Apo系列的復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，實現了大范圍可見光的色差校正。這兩種玻璃的波長折射率不同于普通光學玻璃。特別是由于能夠進行橫向色差和散射光的校正，M Plan Apo系列產品可以呈現更加清晰的圖像。
4. FS物鏡顯微鏡規格
FS物鏡顯微鏡有以下系列產品可供選擇。全部產品均具有超長工作距離。
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Ο |
M Plan Apo系列 |
Ο |
M Plan NIR系列 |
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BD Plan Apo系列 |
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LCD Plan NIR系列 |
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Ο |
M Plan NUV系列 |
Ο |
M Plan UV系列 |
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LCD Plan NUV系列 |
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Ο |
G Plan Apo系列 |
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以上系列產品的特點和規格如下。
4-1. M Plan Apo系列 和BD Plan Apo系列
M Plan Apo系列是在可見光范圍內使用的顯微鏡用物鏡，適于進行亮視場觀察，而BD Plan Apo系列則適于進行亮/暗視場觀察。此外，還有具有超長工作距離的M Plan Apo SL和BD Plan Apo SL系列。
4-2. M Plan NIR系列 和LED Plan NIR系列
該系列可對整個可見光和近紅外線范圍內的色差進行校正，同時提高了近紅外線范圍內的透射率，是一款增強型超長工作距離物鏡。LCD Plan NIR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，而對其設計進行了改進。
4-3. M Plan NUV系列 和LCD Plan NUV系列
M Plan NUV系列采用在短波長范圍內具有較高透射率的光學玻璃，可對整個可見光和近紅外線范圍內的色差進行校正。此外，還特別為該系列產品開發了防反射涂層，這種涂層有助于保持短波長范圍內的高透射率。同時與NIR系列產品一樣，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物鏡顯微鏡系列的新產品，從去年開始，已經有80X、 50X和20X等型號上市。為確保在紫外線范圍內能夠具有高透射率，三豐已將普通光學玻璃透鏡更換為螢石和石英材質的透鏡。此外，還特別為該系列產品開發了防反射涂層。
4-5. G Plan Apo系列
使用物鏡觀察工件表面時，因為是透過一層很厚的玻璃進行觀察的，視像的對比度會由于玻璃產生的大量球面色差而明顯下降，當使用高倍率或高NA物鏡時，這種影響顯得尤為嚴重。G Plan Apo系列是一種專為通過厚玻璃進行觀察而設計的物鏡。通過一層很厚的玻璃觀察工件時，必需要選用具有長工作距離的物鏡，因此，該系列產品充分體現了FS物鏡的特點和功能。該系列產品共分3種型號：2mm至5mm （標準型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、連續色差校正型（使用一個可調內部透鏡）。
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表1、FS物鏡規格{數值孔徑（NA）/ 工作距離（mm）} |
5. 超長工作距離物鏡典型應用
5-1. 半導體缺陷分析儀（探針臺）
使用探針臺（半導體缺陷分析儀的一種類型）進行顯微操作時，需要將探針（電極）插入顯微鏡下的鋁線圈，以進行傳導性檢測。（見圖2）
如果物鏡的工作距離過短，操作起來可能會非常困難。因此，這種情況下就需要使用超長工作距離物鏡，通過裝配三豐“FS 70系列”和“VM-ZOOM”，并與顯微鏡超長工作距離物鏡系列產品并用，能夠實現性能。M Plan Apo、M Plan NIR、M Plan NUV和M Plan UV等幾乎全部型號的FS物鏡系列產品，均可有效地用應于該領域。
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圖2 探測作業示意圖 |
5-2. 激光加工
使用顯微鏡進行激光微加工的常用方法是掩膜投影法，這種方法通常要使用一個裝有顯微鏡的YAG激光儀。（見圖3）只將YAG基波（1064nm）用于此領域，后來又陸續開發出使用第二諧波（532nm）、第三諧波（355nm）和第四諧波（266nm）的激光儀，今后還可能會開發出其它形式的激光儀。此外，準分子激光已作為YAG激光的替代品并投入使用。與這些產品配套使用的三豐物鏡包括NIR系列、 NUV系列和UV系列。用戶可根據實際需要選用適合的類型（從近紅外線范圍的熱處理到紫外線范圍的光學處理）和根據具體材料選擇適合的激光種類。由于這些物鏡具有長工作距離，加工過程中很少會出現蒸發物污染鏡頭的情況。因此，加工厚玻璃罩內的真空室或氣體環境中的工件就顯得較為容易。超長工作距離物鏡還可用于修復半導體掩膜和LCD，或與裝配在“FS 70” 或“VM-ZOOM”激光端口上的三豐顯微鏡一起安裝在探針臺，組成激光顯微鏡后，可通過激光剝離純化層進行檢測。
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圖3 激光加工光學系統范例 |
5-3. CNC視像測量儀
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今天，測量儀器制造商正不斷地推出各種裝有顯微鏡系統的CNC視像測量儀，規格相當齊全。這些產品具有許多通用功能，例如降低檢測工作成本、提高工作效率，即使沒有經驗的用戶也可以用其得出精確的測量結果，改善了工作環境、工作更輕松等。 三豐已經開發出可測量多種工件的Quick Vision系列和Quick Scope系列等多款產品。這些產品也可使用超長工作距離物鏡。在視像測量儀領域，長工作距離物鏡的需求非常廣泛，尤其是能夠進行大階差工件測量的三豐產品。此款多功能產品應用范圍十分廣泛，深為用戶所青睞。 |
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5-4. 通過平行平板玻璃觀察
三豐推出的“G Plan Apo系列”可滿足此項任務的需求。盡管用戶需要的規格多種多樣，各不相同，但這些產品全面涵蓋了從紅外線到紫外線的大范圍波長，使用了光學玻璃，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高NA型產品的需求，其應用范圍也非常廣泛，包括觀察和激光加工以及作為聚光透鏡使用等。因此，FS物鏡顯微鏡系列產品幾乎可以滿足上述用戶紛繁復雜的多種需求。圖5為使用普通物鏡顯微鏡無法完成，而使用超長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、充氣室內的工件和懸浮于液體中的工件的觀察等。用戶可根據規格定制所需的色差校正功能，某些功能可重復用于光學系統，從而可為用戶節省成本。超長工作距離物鏡的特點之一就是用戶可隨時訂購這些產品的透鏡。
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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工作距離物鏡的其它類型的光學設備和光學測量儀器。以下為大家簡要介紹幾款典型產品。
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? Hot |
電子顯微鏡
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用于半導體缺陷分析和漏射弱光檢測
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? Interferometer |
微型菲佐（Fizeau）干涉儀
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裝配有顯微鏡物鏡的菲佐干涉儀
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Linnik干涉儀
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Michaelson干涉儀裝配有一對顯微 鏡物鏡，一個用于參照用光學系統，另一個用于工件測量光學系統，兩個透鏡具有相同的波形曲率色差。
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? 激光修復儀 |
用于半導體和掩膜缺陷的激光修復。
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? 顯微分光裝置 |
使用顯微鏡測量微小部分的反射分光特性。
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6. 結論
上述“FS超長工作距離物鏡系列”具有長工作距離，可操作性更強，可觀察波長范圍更大，并成功實現了普通物鏡顯微鏡無法實現的許多功能。顯微鏡光學系統應用范圍的擴大得到了廣大用戶的一致肯定和歡迎。
FS超長工作距離物鏡系列，全面滿足了用戶的需求，并且每年都有許多新型號產品加入這一產品陣容。為繼續更好地服務用戶，三豐在未來的幾年中將進一步擴大“FS超長工作距離物鏡系列”的產品陣容。
下一條
用于單轉千分表的新技術
