顯微鏡的發展及在長度計量中的應用

翟鵬程 叢寶軍

內蒙古自治區計量測試研究院 內蒙古呼和浩特 010020

科學技術是第一生產力，顯微技術不斷推陳出新，尤其是現代化技術的涌現，為顯微技術發展注入了新的活力和動力。以往的顯微鏡逐步從傳統光學顯微鏡朝著深度發展，形成了不同照明光源為區別的多種顯微鏡，包括干涉顯微鏡、光學顯微鏡、掃描探針顯微鏡和電子顯微鏡等。不同顯微鏡特點和適用情況不同，分別形成各自的體系，以其獨特優勢廣泛應用到各個技術領域。綜合分析顯微鏡在長度計量中應用研究，了解顯微鏡發展歷程，充分發揮顯微鏡優勢應用到實處，以求推動計量領域更高層次發展。

1 顯微鏡的發展歷程

顯微鏡最初誕生在上個世紀20年代，為了提升顯微鏡分辨率，將多數的經理投入到顯微鏡分辨極限表達方式的光學參數，力求尋找波長更短的照明光源，提升顯微鏡分辨率和放大倍數。經過長期研究和創新，逐漸涌現出類型多樣的顯微鏡，但是顯微鏡分辨極限最高也僅為波長λ的一半，光學顯微鏡在可見光波段難以突破0.2mm分辨極限[1]。

顯微鏡類型多樣，基于成像原理來劃分，具體包括干涉顯微鏡、光學顯微鏡、掃描針顯微鏡和共焦顯微鏡；基于工作方式劃分，包括遠場光學顯微鏡和近場顯微鏡。但無論從哪一層面劃分，顯微鏡均是基于軸箱放大功能的儀器設備，由于方式不同得到了類型多樣的顯微鏡，放大能力存在一定差異。傳統的光學顯微鏡便于觀察，不會對被檢測物體帶來損傷，對取樣條件限制較少，測量環境要求不高，憑借獨特優勢得到了大范圍應用。當前非光學顯微鏡分辨率在0.1nm水平，所以進一步提升光學顯微鏡分辨率是必然選擇。隨著技術發展，新型的顯微鏡出現，打破了傳統光學顯微鏡測量極限的限制，通過尋找不同光源用于顯微鏡信息載體，如X射線顯微鏡、超聲顯微鏡與電子顯微鏡等，在長度計量中起到了重要作用。

2 長度計量工作分析

長度計量工作主要內容是針對長度測量展開研究，確保測量單位和量值準確。長度計量技術誕生初期，就開始選用長度測量技術，隨著技術創新發展，感應同步器、激光和光柵等新興技術涌現，也有很多高分辨率的儀器設備誕生。就長度計量本質工作內容來看，具體內容有角度、距離、直線度、表面粗糙度等幾何量，構建標準傳遞系統和傳遞方法；確定長度單位和以基準形式復制單位；合理使用計量器具，選擇合適的測量方法控制計量精度；選用合理的長度計量技術[2]。

在長度計量工作中，有接觸計量和非接觸計量兩種方式，接觸測量是長度測量工具和被測量物體物理接觸，測量被測量物體的內外尺寸；非接觸測量是通過氣動、光學方法，不需要與被測表面接觸即可完成計量工作。

3 長度計量中顯微鏡的應用途徑

顯微鏡不斷改進和創新，新技術的涌現，在長度計量中應用取得了可觀成效。顯微技術和光干涉技術的結合，在長度計量中起到了重要作用，賦予了顯微技術新的生機活力。

3.1 幾何尺寸測量

長度計量中采用測量顯微鏡，作為一種常見的測量工具，測量精度高，通常應用在工件幾何尺寸測量領域。測量顯微鏡的類型多樣發展，測量精度大概為微米級，分辨率在0.1μm左右[3]。

3.2 表面形貌測量

表面形貌測量同樣屬于長度計量范疇，以往選擇的儀器設備包括干涉顯微鏡和光切顯微鏡，其中光切顯微鏡分辨率最高為0.1mm，干涉顯微鏡則為15nm，主要適用于微米、亞微米量級工件粗糙度測量。面對表面加工質量要求不斷提高的挑戰，新時期對形貌測量技術水平要求大大提升。通過掃描電鏡、輪廓儀和掃描探針顯微鏡應用，可以滿足微觀形貌測量需求。另外，AFM和STM的誕生，為新時期表面形貌測量帶來了新的活力，測量精度大大提升。計量領域的技術不斷變革發展，逐漸朝著非接觸式發展，分辨率越來越高，可以實現表面結構描繪檢測[4]。

3.3 在線寬與掩模測量

電子行業蓬勃發展，制造技術的創新發展，尤其是超大規模集成芯片制造技術水平的提升，電子元器件逐漸朝著高集成密度化方向發展，對于新時期技術發展提出了新的要求。顯微鏡的不斷發展，近些年來共焦顯微鏡應用為新時期的線寬與掩模測量提供了新的技術支持，作用原理是通過長焦透鏡轉換為發散光束，通過短焦物鏡投射到樣品表面，進而反射回短焦物鏡，最后通過分光鏡，有光電接收器接受[5]。如果測量點恰巧在長焦透鏡焦點上，則形成共焦關系。另外，測量點在物鏡焦點上，可以接受最大信號，伴隨測量點偏離焦點，信號強度逐漸變小，客觀反映出樣品表現情況。另外，小孔直徑測量直接關乎到長度計量分辨率，而共焦顯微鏡分辨率較高，可以得到10nm以上，切實提升長度計量精度。

4 結語

綜上所述，顯微技術經過長期發展創新，為人們探索微觀世界提供了途徑，而當前顯微技術研究力求觀察更加微小的物體結構，獲取相關信息。未來顯微技術不斷發展下，將在長度計量中做出更大的貢獻，推動相關科學領域更高層次發展。