采用三向光纤照明成像的三维微结构观测系统

　　1　引　言

　　随着微米/纳米技术的发展,微观测试技术得到迅速发展。目前,对亚微米级的微机械量和几何量的检测和计量手段有扫描电子显微镜(SEM)、扫描 探针显微镜(SPM)、干涉显微镜、高精度轮廓仪、光电坐标测量机(CMM-Opt)等。其中,SEM和SPM的测量范围在几nm~200μm;白光干涉 显微镜测量范围在0.05μm~0.6 mm;轮廓仪测量范围在0.1μm~5 mm;采用光探针(OpticalProbe)CMM测量范围在1μm~1 000 mm;具有机械式测头(Mechanical Probe)的CMM对微机械量和几何量检测和计量相对较困难;扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)就其测量精度和范围属于纳米测量手段 [1-4]。微几何量主要分布在几μm到几mm之间,面阵CCD结合光学显微技术和计算机图像处理技术可较容易地对微几何量进行精密测量,并由于其成本 低、操作方便灵活、测量精度较高等优点得到广泛应用。

　　要对三维微结构几何量进行高精度测量,必须先对系统进行准确标定。系统的标定误差直接影响系统的测量精度。传统的标定方法由于其标定用的样本要 求尺寸小、形状规则、成像质量好、测量精度高等问题而不易实现,因此在大量的实验比较基础上提出了一种螺旋微缝标定法,并配以适当的观测手段和计算方法, 有效提高了系统的标定精度,能基本满足对微机械几何量的测量精度要求。

　　CCD显微测量技术离不开显微摄影。在拍摄时由于采用的光线不同,所产生的图像效果便有很大差异。光学显微镜是显微摄影的重要组成部分,它把被 观测对像按照一定倍数放大并通过CCD摄像机成像在显示器上。一般的光学显微镜均采用底部照明的方法对被观测对像进行成像,所以拍摄的图像只能观察到对像 的表面轮廓。在某些观测过程中,观察的样本是基于有机聚合物材料加工的三维微机械器件或三维微结构,其尺寸在几μm到几mm。有时需要观察对像的局部三维 形貌以满足定域观测的需要,但是单纯采用底部透射光照明远远达不到要求。另外,一般显微镜的照明光源通过手动调节可变电阻来改变光源光强,光强的稳定性、 变化的连续性和范围都比较差,尤其在显微摄影中,更显不足。因此,要想直接获得较理想的具有较高灰度对比度的清晰三维图像必须对摄影显微镜的照明系统进行 合理的设计。本文提出了一种三向光纤照射、光强精确可调的照明系统。经过实验比较,拍摄效果明显改善,基本满足对MEMS三维微结构成像的要求。这套照明 系统还可用于各种透明样本和不透明样本的显微成像。

　　2　系统设计

　　本系统主要由光纤照明和面阵CCD显微测量两个子系统组成,其结构如图1所示。