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超长工作距离物镜及其在测量和加工中的应用
2016-07-12
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人们现在已经可以观察到红外线和紫外线的波长范围，远远超过了可见光范围。但物镜显微镜的工作距离较短始终是这类设备应用的重要限制因素之一。本文将介绍的是三丰“FS物镜显微镜系列”，其突出特点是工作距离长，可观察波长范围增大到近红外线至紫外线范围，从而使显微镜的应用范围也大大提高，并且更易于操作。
1、前言
以上两种系统均使用了一个超长工作距离物镜，实现了传统显微镜无法实现的功能，因此可以说这是一种具有特殊可操作性的非比寻常的显微镜。通常，加大物镜的工作距离，会导致多种色差问题发生。而M Plan Apo系列的复消色透镜通过选用低折射率反常色散玻璃和超低色散玻璃，实现了大范围可见光的色差校正。这两种玻璃的波长折射率不同于普通光学玻璃。特别是由于能够进行横向色差和散射光的校正，M Plan Apo系列产品可以呈现更加清晰的图像。
4. FS物镜显微镜规格
FS物镜显微镜有以下系列产品可供选择。全部产品均具有超长工作距离。
以上系列产品的特点和规格如下。
4-1. M Plan Apo系列 和BD Plan Apo系列
M Plan Apo系列是在可见光范围内使用的显微镜用物镜，适于进行亮视场观察，而BD Plan Apo系列则适于进行亮/暗视场观察。此外，还有具有超长工作距离的M Plan Apo SL和BD Plan Apo SL系列。
4-2. M Plan NIR系列 和LED Plan NIR系列
该系列可对整个可见光和近红外线范围内的色差进行校正，同时提高了近红外线范围内的透射率，是一款增强型超长工作距离物镜。LCD Plan NIR系列还特别考虑到液晶玻璃罩（厚度为t=1.1mm 或t=0.7mm）的存在，而对其设计进行了改进。
4-3. M Plan NUV系列 和LCD Plan NUV系列
M Plan NUV系列采用在短波长范围内具有较高透射率的光学玻璃，可对整个可见光和近红外线范围内的色差进行校正。此外，还特别为该系列产品开发了防反射涂层，这种涂层有助于保持短波长范围内的高透射率。同时与NIR系列产品一样，本系列也具有考虑到液晶厚度的（t=0.7mm）专用物镜。
4-4. M Plan UV系列
该系列是FS物镜显微镜系列的新产品，从去年开始，已经有80X、 50X和20X等型号上市。为确保在紫外线范围内能够具有高透射率，三丰已将普通光学玻璃透镜更换为萤石和石英材质的透镜。此外，还特别为该系列产品开发了防反射涂层。
4-5. G Plan Apo系列
使用物镜观察工件表面时，因为是透过一层很厚的玻璃进行观察的，视像的对比度会由于玻璃产生的大量球面色差而明显下降，当使用高倍率或高NA物镜时，这种影响显得尤为严重。G Plan Apo系列是一种专为通过厚玻璃进行观察而设计的物镜。通过一层很厚的玻璃观察工件时，必需要选用具有长工作距离的物镜，因此，该系列产品充分体现了FS物镜的特点和功能。该系列产品共分3种型号：2mm至5mm （标准型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、连续色差校正型（使用一个可调内部透镜）。
5-2. 激光加工
使用显微镜进行激光微加工的常用方法是掩膜投影法，这种方法通常要使用一个装有显微镜的YAG激光仪。（见图3）只将YAG基波（1064nm）用于此领域，后来又陆续开发出使用第二谐波（532nm）、第三谐波（355nm）和第四谐波（266nm）的激光仪，今后还可能会开发出其它形式的激光仪。此外，准分子激光已作为YAG激光的替代品并投入使用。与这些产品配套使用的三丰物镜包括NIR系列、 NUV系列和UV系列。用户可根据实际需要选用适合的类型（从近红外线范围的热处理到紫外线范围的光学处理）和根据具体材料选择适合的激光种类。由于这些物镜具有长工作距离，加工过程中很少会出现蒸发物污染镜头的情况。因此，加工厚玻璃罩内的真空室或气体环境中的工件就显得较为容易。超长工作距离物镜还可用于修复半导体掩膜和LCD，或与装配在“FS 70” 或“VM-ZOOM”激光端口上的三丰显微镜一起安装在探针台，组成激光显微镜后，可通过激光剥离纯化层进行检测。
5-3. CNC视像测量仪
5-4. 通过平行平板玻璃观察
三丰推出的“G Plan Apo系列”可满足此项任务的需求。尽管用户需要的规格多种多样，各不相同，但这些产品全面涵盖了从红外线到紫外线的大范围波长，使用了光学玻璃，而且还有石英、宝石玻璃、钻石，甚至液体等多种并行平面材料，厚度约为0.5mm至20mm以上。此外，有些用户还提出了对高NA型产品的需求，其应用范围也非常广泛，包括观察和激光加工以及作为聚光透镜使用等。因此，FS物镜显微镜系列产品几乎可以满足上述用户纷繁复杂的多种需求。图5为使用普通物镜显微镜无法完成，而使用超长工作距离物镜显微镜可以完成的一些工作，包括高温室、低温室、真空室、充气室内的工件和悬浮于液体中的工件的观察等。用户可根据规格定制所需的色差校正功能，某些功能可重复用于光学系统，从而可为用户节省成本。超长工作距离物镜的特点之一就是用户可随时订购这些产品的透镜。
5-5. 其它
三丰还有许多采用了超长工作距离物镜的其它类型的光学设备和光学测量仪器。以下为大家简要介绍几款典型产品。
光学显微镜作为扩大样本图像观察的装置从16世纪中叶就开始广为使用，是一种相当可靠的传统装置。作为一种有着漫长发展历史的光学设备，其基本原理已经较为成熟，因此没有大幅度变化。然而，为能够不断满足日益增长的用户需求，光学显微镜在功能和性能上一直不断提高。近年来，以显微镜为基础的非接触3D视像测量仪、显微分光装置、干涉仪或带有显微镜/激光的精细加工机器相继问世。这些产品在传统显微镜所具有的基本功能上，增加了许多新功能。此外，人们现在已经可以观察到红外线和紫外线的波长范围，远远超过了可见光范围。但物镜显微镜的工作距离较短始终是这类设备应用的重要限制因素之一。本文将介绍的是三丰“FS物镜显微镜系列”，其突出特点是工作距离长，可观察波长范围增大到近红外线至紫外线范围，从而使显微镜的应用范围也大大提高，并且更易于操作。
2. 开发背景与目标
近年来，半导体集成产业以令人瞩目的速度向前发展，随之而来的是从微米级到亚微米级的更高精度检验需求。与此同时，各行业也正致力于开发出用于显微镜的新型、高性能物镜，它们应该比传统物镜可操作性更强、分辨率更高、工作距离更长。同时，市场已提出对具有大数值孔径和长工作距离产品的迫切需求。面对这种挑战，三丰重新审度了原有物镜的45mm等焦面距离标准，扩大了镜头的观察范围，将等焦面距离提高到95mm。经过不懈努力，三丰开发出具有高倍率、大数值孔径（高分辨率）和长工作距离的新型高性能物镜显微镜。（见图1）
3. FS物镜显微镜特点
FS显微镜采用无限远校正光学系统，通过使用一个物镜和一个成像透镜（光学管镜头）生成图像。色差校正可由物镜和成像透镜独立完成。因此FS物镜系列产品自身就是一个完整的光学系统。因此，该系列产品不仅可以单独使用，而且还可以作为扩展系统的一部分，在扩展系统中，用户可以根据个人喜好对成像透镜进行设置，将物镜组装到自己现有的设备上。三丰可提供多种类型的成像透镜和装有这种光学系统的组合型视像显微镜VMU系列、高倍率显微镜FS70系列和VM-ZOOM系列、检测用显微镜FS110T和高倍率测量显微镜MF系列。
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图1、不同等焦面距离物镜的比较 |
以上两种系统均使用了一个超长工作距离物镜，实现了传统显微镜无法实现的功能，因此可以说这是一种具有特殊可操作性的非比寻常的显微镜。通常，加大物镜的工作距离，会导致多种色差问题发生。而M Plan Apo系列的复消色透镜通过选用低折射率反常色散玻璃和超低色散玻璃，实现了大范围可见光的色差校正。这两种玻璃的波长折射率不同于普通光学玻璃。特别是由于能够进行横向色差和散射光的校正，M Plan Apo系列产品可以呈现更加清晰的图像。
4. FS物镜显微镜规格
FS物镜显微镜有以下系列产品可供选择。全部产品均具有超长工作距离。
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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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以上系列产品的特点和规格如下。
4-1. M Plan Apo系列 和BD Plan Apo系列
M Plan Apo系列是在可见光范围内使用的显微镜用物镜，适于进行亮视场观察，而BD Plan Apo系列则适于进行亮/暗视场观察。此外，还有具有超长工作距离的M Plan Apo SL和BD Plan Apo SL系列。
4-2. M Plan NIR系列 和LED Plan NIR系列
该系列可对整个可见光和近红外线范围内的色差进行校正，同时提高了近红外线范围内的透射率，是一款增强型超长工作距离物镜。LCD Plan NIR系列还特别考虑到液晶玻璃罩（厚度为t=1.1mm 或t=0.7mm）的存在，而对其设计进行了改进。
4-3. M Plan NUV系列 和LCD Plan NUV系列
M Plan NUV系列采用在短波长范围内具有较高透射率的光学玻璃，可对整个可见光和近红外线范围内的色差进行校正。此外，还特别为该系列产品开发了防反射涂层，这种涂层有助于保持短波长范围内的高透射率。同时与NIR系列产品一样，本系列也具有考虑到液晶厚度的（t=0.7mm）专用物镜。
4-4. M Plan UV系列
该系列是FS物镜显微镜系列的新产品，从去年开始，已经有80X、 50X和20X等型号上市。为确保在紫外线范围内能够具有高透射率，三丰已将普通光学玻璃透镜更换为萤石和石英材质的透镜。此外，还特别为该系列产品开发了防反射涂层。
4-5. G Plan Apo系列
使用物镜观察工件表面时，因为是透过一层很厚的玻璃进行观察的，视像的对比度会由于玻璃产生的大量球面色差而明显下降，当使用高倍率或高NA物镜时，这种影响显得尤为严重。G Plan Apo系列是一种专为通过厚玻璃进行观察而设计的物镜。通过一层很厚的玻璃观察工件时，必需要选用具有长工作距离的物镜，因此，该系列产品充分体现了FS物镜的特点和功能。该系列产品共分3种型号：2mm至5mm （标准型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、连续色差校正型（使用一个可调内部透镜）。
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表1、FS物镜规格{数值孔径（NA）/ 工作距离（mm）} |
5. 超长工作距离物镜典型应用
5-1. 半导体缺陷分析仪（探针台）
使用探针台（半导体缺陷分析仪的一种类型）进行显微操作时，需要将探针（电极）插入显微镜下的铝线圈，以进行传导性检测。（见图2）
如果物镜的工作距离过短，操作起来可能会非常困难。因此，这种情况下就需要使用超长工作距离物镜，通过装配三丰“FS 70系列”和“VM-ZOOM”，并与显微镜超长工作距离物镜系列产品并用，能够实现性能。M Plan Apo、M Plan NIR、M Plan NUV和M Plan UV等几乎全部型号的FS物镜系列产品，均可有效地用应于该领域。
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图2 探测作业示意图 |
5-2. 激光加工
使用显微镜进行激光微加工的常用方法是掩膜投影法，这种方法通常要使用一个装有显微镜的YAG激光仪。（见图3）只将YAG基波（1064nm）用于此领域，后来又陆续开发出使用第二谐波（532nm）、第三谐波（355nm）和第四谐波（266nm）的激光仪，今后还可能会开发出其它形式的激光仪。此外，准分子激光已作为YAG激光的替代品并投入使用。与这些产品配套使用的三丰物镜包括NIR系列、 NUV系列和UV系列。用户可根据实际需要选用适合的类型（从近红外线范围的热处理到紫外线范围的光学处理）和根据具体材料选择适合的激光种类。由于这些物镜具有长工作距离，加工过程中很少会出现蒸发物污染镜头的情况。因此，加工厚玻璃罩内的真空室或气体环境中的工件就显得较为容易。超长工作距离物镜还可用于修复半导体掩膜和LCD，或与装配在“FS 70” 或“VM-ZOOM”激光端口上的三丰显微镜一起安装在探针台，组成激光显微镜后，可通过激光剥离纯化层进行检测。
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图3 激光加工光学系统范例 |
5-3. CNC视像测量仪
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今天，测量仪器制造商正不断地推出各种装有显微镜系统的CNC视像测量仪，规格相当齐全。这些产品具有许多通用功能，例如降低检测工作成本、提高工作效率，即使没有经验的用户也可以用其得出精确的测量结果，改善了工作环境、工作更轻松等。 三丰已经开发出可测量多种工件的Quick Vision系列和Quick Scope系列等多款产品。这些产品也可使用超长工作距离物镜。在视像测量仪领域，长工作距离物镜的需求非常广泛，尤其是能够进行大阶差工件测量的三丰产品。此款多功能产品应用范围十分广泛，深为用户所青睐。 |
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5-4. 通过平行平板玻璃观察
三丰推出的“G Plan Apo系列”可满足此项任务的需求。尽管用户需要的规格多种多样，各不相同，但这些产品全面涵盖了从红外线到紫外线的大范围波长，使用了光学玻璃，而且还有石英、宝石玻璃、钻石，甚至液体等多种并行平面材料，厚度约为0.5mm至20mm以上。此外，有些用户还提出了对高NA型产品的需求，其应用范围也非常广泛，包括观察和激光加工以及作为聚光透镜使用等。因此，FS物镜显微镜系列产品几乎可以满足上述用户纷繁复杂的多种需求。图5为使用普通物镜显微镜无法完成，而使用超长工作距离物镜显微镜可以完成的一些工作，包括高温室、低温室、真空室、充气室内的工件和悬浮于液体中的工件的观察等。用户可根据规格定制所需的色差校正功能，某些功能可重复用于光学系统，从而可为用户节省成本。超长工作距离物镜的特点之一就是用户可随时订购这些产品的透镜。
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图5 通过平行平板玻璃观察 |
5-5. 其它
三丰还有许多采用了超长工作距离物镜的其它类型的光学设备和光学测量仪器。以下为大家简要介绍几款典型产品。
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6. 结论
上述“FS超长工作距离物镜系列”具有长工作距离，可操作性更强，可观察波长范围更大，并成功实现了普通物镜显微镜无法实现的许多功能。显微镜光学系统应用范围的扩大得到了广大用户的一致肯定和欢迎。
FS超长工作距离物镜系列，全面满足了用户的需求，并且每年都有许多新型号产品加入这一产品阵容。为继续更好地服务用户，三丰在未来的几年中将进一步扩大“FS超长工作距离物镜系列”的产品阵容。
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