SmartWLI 传统二维光学显微镜三维轮廓/形貌扫描升级方案

SmartWLI传统光学显微镜升级技术

亚纳米级分辨率白光干涉技术与三维表面形貌测量

传统二维光学显微镜可以升级为三维表面形貌测量装置，极大提升应用效能。

图1.干涉物镜通过接合器安装于传统光学显微镜，升级后的显微镜具备高分辨三维表面形貌测量功能

显微镜的重要性不只在于研究与记录，更在于产品质量监测与样品表面分析。光学显微镜已经成为许多实验室的标配设备。对于大多数样品来说，传统二维显微镜不足以获得其表面所有形貌细节。因此，三维表面形貌测量技术正逐渐成为一种重要的表征手段。

图2. 金属表面二维、三维测量结果比较

其典型应用领域包括不同表面粗糙度试样的三维表面形貌观察（如晶片结构，镜面，玻璃，金属），台阶高度测定和曲面精确测量（如微型透镜）。当前，许多研究机构都有三维表

面形貌测量设备的采购需求。但事实上，只要满足下列条件，世界上多数知名品牌的传统光学显微镜都可以升级为高精度三维表面形貌测量设备：

* 无限远、中间像光学系统；

* 反射明场照明系统；

* CCD摄像头接口；

* 可更换物镜的镜筒

位于德国Ilmenau的GBS公司已经成功利用其SmartWLI显微镜升级技术为蔡司、尼康、莱卡、奥林巴斯等众多品牌的传统光学显微镜完成升级工作。其基本原理为白光干涉一种成熟的三维表面形貌测量方法，测量精度可以达到亚纳米量级。同传统的单色光干涉技术大为不同，SmartWLI白光干涉技术采用相干长度达到2um的宽频带光。实际测量必须深入相干区域扫描，每隔70-80nm取样。而单色光干涉技术多用激光，相干长度达到数千米，不能用来观察纳米级的区域。

当光程差接近相干长度时，干涉差变得更小。通过参考面，以设定好的步频移动被测物体，每移动一个步频，记录一个干涉图样，这样大量干涉图样就以像素为单位记录下来。

若数据的采集与处理同时进行即可在数秒之内得到测量表面区域的高度信息（形貌特征）。GBS公司研发的Smart WLI软件可以对测量数据进行高速运算。三维数据的计算任务转交图形处理器（GPU）完成，一百万测量点的数据处理时间可从30秒降到1秒以内。

SmartWLI显微镜升级技术特征

德国GBS公司的SmartWLI 显微镜升级技术可以将传统二维显微镜升级为先进的三维表面形貌测量设备。该技术涉及硬件组件包括：

* 一套基于压电效应、由电脑控制的定位系统（定位精度在纳米量级）；

* 一款高质量的干涉透镜；

* 一款高灵敏度CCD摄像头,带有GigE接口；

选件：电动XY轴平台、高性能电脑与拼接技术，可实现大表面三维形貌测量。

PC配置要求：因特尔i5处理器，微软Windows操作系统，4G内存，具备高速计算能力

的英伟达图形处理器（NVIDA GPU）,TFT液晶显示屏，键盘与鼠标。

GBS SmartWLI显微镜升级技术选用的压电调节器由德国Piezo System Jena公司开发研制。该款MIPOS透镜调节器纵向方向（Z轴方向）扫描范围可达500 um，可选择相干透镜（物镜）的放大倍数在2.5倍到100倍之间。

GBS公司开发的SmartWLI软件具备操作直观、数据分析快速、纳米级精度显示等优点，可以对采集到的三维测量数据进行基础运算。经SmartWLI软件处理后的三维测量结果，可再交由图形分析软件MountainsMap做进一步处理，可得到二维、三维表面形貌图像、粗糙度、台阶高度、微粒分析与报告等。

基于图形处理器GPU的高速运算功能，三维测量数据运算可以与形貌扫描同步进行。

在不过度占用电脑ZY处理器（CPU）与内存空间的前提下，实现大范围的三维形貌测量。

显微镜升级后的主要测量参数：

纵向测量范围: 最大可达400 um

横向测量范围： 649 um×483 um (10倍物镜)；324 um×241 um (20倍物镜)

129 um×96 um (50倍物镜)

(注意：上述数据皆为估算值，实际横向测量范围需参考用户现有显微镜参数)

纵向(Z轴)分辨率: ＜1 nm

横向分辨率: 1.66 um(10倍物镜)；0.96 um(20倍物镜)；700 nm(50倍物镜)

扫描速度： 3.6 - 16 um/s

计算时间: 一百万测量点数据/一秒内

SmartWLI显微镜升级技术的其它优势：

* 无需新的设备技术，缩短培训周期；

* 利用现有测量平台，节省实验室空间；

* 保留原有二维测量功能，兼具三维测量能力；

* 立足用户原有组件，大幅节省升级费用；

（可利用组件包括：光源、镜筒、镜头旋转器、Z轴调节器、XY轴测量平台）。

* 全面的三维表面形貌测量功能

自动拼接技术与钻石磨削头的三维表面形貌测量

升级后的显微镜可以对钻石磨削头进行纳米级分辨率的三维表面形貌测量，可得到表面钻石的形貌和体积。我们可借助本次测量实例，深入了解一种SmartWLI 显微镜升级技术独具的“自动拼接”功能 - 即将大量二维测量区域上的“干涉图样摞”再次叠加，生成更大检测区域的三维图像。软件上的“自动拼接”功能结合硬件上的电动XY轴平台，就可实现更大表面的三维形貌测量。

图3.钻石磨削头三维表面形貌测量结果 （10倍物镜，3×3阵列拼接）

图3所示为选用10倍物镜，以3×3阵列（9倍单位扫描区域），经“自动拼接”得到的三维表面形貌测量结果。借助“自动拼接”功能，可以在数分钟内实现大表面（百倍以上单位测量区域）的三维形貌测量。

结语：德国GBS公司SmartWLI 显微镜升级技术为传统光学显微镜提供了一种全新的升级方式。经验丰富的GBS工程师可以为您升级现有的显微镜，培训操作人员。SmartWLI显微镜升级技术不但不会对用户现有显微镜的固有功能造成损害或限制，还可以兼容其原有软件。

1) 德国GBS公司**：www.gbs-ilmenau.de

2) 德国WinWinTec公司（GBSZG市场渠道商）**：www.winwintec.com