显微镜的发展及在长度计量中的应用

翟鹏程 丛宝军

内蒙古自治区计量测试研究院 内蒙古呼和浩特 010020

科学技术是第一生产力，显微技术不断推陈出新，尤其是现代化技术的涌现，为显微技术发展注入了新的活力和动力。以往的显微镜逐步从传统光学显微镜朝着深度发展，形成了不同照明光源为区别的多种显微镜，包括干涉显微镜、光学显微镜、扫描探针显微镜和电子显微镜等。不同显微镜特点和适用情况不同，分别形成各自的体系，以其独特优势广泛应用到各个技术领域。综合分析显微镜在长度计量中应用研究，了解显微镜发展历程，充分发挥显微镜优势应用到实处，以求推动计量领域更高层次发展。

1 显微镜的发展历程

显微镜最初诞生在上个世纪20年代，为了提升显微镜分辨率，将多数的经理投入到显微镜分辨极限表达方式的光学参数，力求寻找波长更短的照明光源，提升显微镜分辨率和放大倍数。经过长期研究和创新，逐渐涌现出类型多样的显微镜，但是显微镜分辨极限最高也仅为波长λ的一半，光学显微镜在可见光波段难以突破0.2mm分辨极限[1]。

显微镜类型多样，基于成像原理来划分，具体包括干涉显微镜、光学显微镜、扫描针显微镜和共焦显微镜；基于工作方式划分，包括远场光学显微镜和近场显微镜。但无论从哪一层面划分，显微镜均是基于轴箱放大功能的仪器设备，由于方式不同得到了类型多样的显微镜，放大能力存在一定差异。传统的光学显微镜便于观察，不会对被检测物体带来损伤，对取样条件限制较少，测量环境要求不高，凭借独特优势得到了大范围应用。当前非光学显微镜分辨率在0.1nm水平，所以进一步提升光学显微镜分辨率是必然选择。随着技术发展，新型的显微镜出现，打破了传统光学显微镜测量极限的限制，通过寻找不同光源用于显微镜信息载体，如X射线显微镜、超声显微镜与电子显微镜等，在长度计量中起到了重要作用。

2 长度计量工作分析

长度计量工作主要内容是针对长度测量展开研究，确保测量单位和量值准确。长度计量技术诞生初期，就开始选用长度测量技术，随着技术创新发展，感应同步器、激光和光栅等新兴技术涌现，也有很多高分辨率的仪器设备诞生。就长度计量本质工作内容来看，具体内容有角度、距离、直线度、表面粗糙度等几何量，构建标准传递系统和传递方法；确定长度单位和以基准形式复制单位；合理使用计量器具，选择合适的测量方法控制计量精度；选用合理的长度计量技术[2]。

在长度计量工作中，有接触计量和非接触计量两种方式，接触测量是长度测量工具和被测量物体物理接触，测量被测量物体的内外尺寸；非接触测量是通过气动、光学方法，不需要与被测表面接触即可完成计量工作。

3 长度计量中显微镜的应用途径

显微镜不断改进和创新，新技术的涌现，在长度计量中应用取得了可观成效。显微技术和光干涉技术的结合，在长度计量中起到了重要作用，赋予了显微技术新的生机活力。

3.1 几何尺寸测量

长度计量中采用测量显微镜，作为一种常见的测量工具，测量精度高，通常应用在工件几何尺寸测量领域。测量显微镜的类型多样发展，测量精度大概为微米级，分辨率在0.1μm左右[3]。

3.2 表面形貌测量

表面形貌测量同样属于长度计量范畴，以往选择的仪器设备包括干涉显微镜和光切显微镜，其中光切显微镜分辨率最高为0.1mm，干涉显微镜则为15nm，主要适用于微米、亚微米量级工件粗糙度测量。面对表面加工质量要求不断提高的挑战，新时期对形貌测量技术水平要求大大提升。通过扫描电镜、轮廓仪和扫描探针显微镜应用，可以满足微观形貌测量需求。另外，AFM和STM的诞生，为新时期表面形貌测量带来了新的活力，测量精度大大提升。计量领域的技术不断变革发展，逐渐朝着非接触式发展，分辨率越来越高，可以实现表面结构描绘检测[4]。

3.3 在线宽与掩模测量

电子行业蓬勃发展，制造技术的创新发展，尤其是超大规模集成芯片制造技术水平的提升，电子元器件逐渐朝着高集成密度化方向发展，对于新时期技术发展提出了新的要求。显微镜的不断发展，近些年来共焦显微镜应用为新时期的线宽与掩模测量提供了新的技术支持，作用原理是通过长焦透镜转换为发散光束，通过短焦物镜投射到样品表面，进而反射回短焦物镜，最后通过分光镜，有光电接收器接受[5]。如果测量点恰巧在长焦透镜焦点上，则形成共焦关系。另外，测量点在物镜焦点上，可以接受最大信号，伴随测量点偏离焦点，信号强度逐渐变小，客观反映出样品表现情况。另外，小孔直径测量直接关乎到长度计量分辨率，而共焦显微镜分辨率较高，可以得到10nm以上，切实提升长度计量精度。

4 结语

综上所述，显微技术经过长期发展创新，为人们探索微观世界提供了途径，而当前显微技术研究力求观察更加微小的物体结构，获取相关信息。未来显微技术不断发展下，将在长度计量中做出更大的贡献，推动相关科学领域更高层次发展。