三维表面形貌测量中的共聚焦显微成像技术研究

随着精密仪器制造与半导体产业的快速发展，对微小结构表面形貌的高精度、高效率测量需求日益迫切。共聚焦显微成像技术以其高分辨率、高信噪比和优异的光学层切能力，在三维表面形貌测量中展现出重要价值。下文，光子湾科技将系统综述共聚焦显微成像在三维形貌测量中的技术，重点围绕扫描方法、探测数据分析及光谱编码技术三个方面展开。

 

共聚焦扫描方法

单点扫描共聚焦显微镜

共聚焦显微镜成像需通过扫描获取全视场图像，扫描方式是影响成像速度与系统架构的关键。

1. 单点扫描共聚焦

主要包括振镜扫描与声光偏转扫描。振镜扫描通过两个正交振镜控制光束偏转，实现三维扫描，精度高、易控制，但频率通常限于kHz级。采用谐振镜作为快镜可提升行扫描速度。声光偏转器无机械运动、响应快（可达MHz），常与振镜组合或用于线扫描系统，进一步提升扫描速率。

2. 并行扫描共聚焦

通过同时照明多个点提高成像速度。典型代表包括：

针孔盘扫描：采用Nipkow盘上螺旋排列的针孔阵列，旋转实现照明扫描，使用面阵探测器接收。优点是可实现实时成像，但光能利用率低（<1%），视场固定。通过附加微透镜阵列可提升光通量与视场。

空间光调制器（SLM）扫描：利用液晶SLM或数字微镜阵列（DMD）生成可编程针孔阵列，灵活性高。DMD具有高填充比、高切换频率（22kHz），可通过优化针孔布局平衡速度与分辨率。

3. 线扫描共聚焦

线扫描共聚焦显微镜

使用狭缝代替点针孔，照明光在样品上呈线状，只需一维扫描即可完成二维成像，显著提升帧率。虽在线方向上分辨率有所损失，但轴向层切能力仍得以保持。结合暗场照明或声光扫描，在晶圆缺陷检测中表现出良好应用前景。

 

基于探测数据分析的共聚焦方法

此类方法旨在通过信号处理获取轴向信息，避免机械轴向扫描，提升测量速度。

1. 差动探测共聚焦

在焦平面前后对称位置放置两个探测针孔，通过两探测器信号差值反映样品轴向位移，实现纳米级轴向定位精度。该方法已用于透镜曲率、厚度等参数的高精度测量。后续发展出分光瞳差分、三探测器差分等变体，进一步提升了轴向分辨率和范围。

2. 双探测共聚焦

双探测的共聚焦轴向定位方法

使用两个不同尺寸的针孔同时探测，通过信号比值获取轴向位置信息。该方法无需轴向扫描，数据处理简单，适合快速轮廓测量。结合DMD并行扫描可大幅提升三维成像速度，环形光斑调制还能进一步提高轴向分辨率。

 

基于照明光谱编码的共聚焦方法

利用宽谱光源的色散特性，将高度信息编码于光谱中，实现快速轴向定位。

1. 横向光谱编码

通过光栅等色散元件将宽谱光色散为横向彩色线斑，扫描方向垂直于色散方向。沿色散方向的位置与波长一一对应，借助光谱解析可获得一维横向信息，实现无需快轴扫描的二维成像。

2. 轴向光谱编码（色散共聚焦）

使用色散物镜或衍射元件使不同波长聚焦于不同轴向深度，样品高度信息对应探测信号的中心波长。该方法无需轴向扫描即可实现几纳米至几百纳米的轴向分辨率，测量范围可达毫米级。与并行扫描或线扫描结合可进一步提升整体三维成像速度。

共聚焦显微技术凭借其高分辨率、高信噪比和优秀层切能力，在三维表面形貌测量中具有显著优势。当前技术发展主要围绕提升成像速度、增强轴向定位能力及系统集成化展开：扫描方式从单点向并行化、线扫描演进；探测数据分析方法可在无需轴向机械扫描的条件下获取高度信息；光谱编码技术则通过波长维度编码提升信息获取效率。

 

光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

 
 

超宽视野范围，高精细彩色图像观察

提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术

采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

光子湾共聚焦显微镜以原位观察与三维成像能力，为精密测量提供表征技术支撑，助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控，成为推动多领域技术升级的重要光学测量工具。

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