1. Принципы лазерных сканирующих микроскопов

  1. Вступление Одним из факторов, который способствует недавнему значительному уменьшению размеров и высокой интеграции электроники и других устройств, является миниатюризация электронных компонентов, составляющих их. Кроме того, новые тонкодисперсные функциональные материалы были разработаны и широко используются в промышленных областях, в том числе в автомобильной, авиационной, металлургической и химической промышленности. В результате для точного трехмерного измерения этих компонентов и материалов требуется более высокая точность и разрешающая способность. Хотя существует множество устройств для удовлетворения этих требований, конфокальный микроскоп привлекает внимание как устройство выбора для простого трехмерного измерения профиля поверхности на воздухе, не касаясь образца. В нем изложены основные принципы, особенности и области применения промышленных лазерных сканирующих микроскопов Olympus, в которых основное внимание уделяется конфокальному лазерному сканирующему микроскопу отражательного типа (в дальнейшем именуемому лазерным сканирующим микроскопом), который предназначен для обнаружения с высоким разрешением. 1-1. Конфокальная оптическая система
  2. 1-2. Двумерное сканирование
  3. 1-2-1. Акустооптические дефлекторы (AOD)
  4. 1-2-2. Зеркала Полигона
  5. 1-2-3. Резонансные Гальвано Зеркала
  6. 1-3. Конфокальный эффект и расширенное фокусное изображение
  7. 1-4. Трехмерные изображения

Вступление

Одним из факторов, который способствует недавнему значительному уменьшению размеров и высокой интеграции электроники и других устройств, является миниатюризация электронных компонентов, составляющих их. Кроме того, новые тонкодисперсные функциональные материалы были разработаны и широко используются в промышленных областях, в том числе в автомобильной, авиационной, металлургической и химической промышленности. В результате для точного трехмерного измерения этих компонентов и материалов требуется более высокая точность и разрешающая способность. Хотя существует множество устройств для удовлетворения этих требований, конфокальный микроскоп привлекает внимание как устройство выбора для простого трехмерного измерения профиля поверхности на воздухе, не касаясь образца. В нем изложены основные принципы, особенности и области применения промышленных лазерных сканирующих микроскопов Olympus, в которых основное внимание уделяется конфокальному лазерному сканирующему микроскопу отражательного типа (в дальнейшем именуемому лазерным сканирующим микроскопом), который предназначен для обнаружения с высоким разрешением.

1-1. Конфокальная оптическая система

Из принципов лазерных сканирующих микроскопов самой основной является конфокальная оптическая система. Оптическая система формирования изображения в типичном оптическом микроскопе и конфокальная оптическая система показаны на рисунке 1. Конфокальная оптическая система имеет отверстие с круглым отверстием в положении, которое сопрягает фокусное положение объектива (положение формирования изображения) с обнаруживать свет только в сфокусированном положении. Хотя для равномерного оптического микроскопа важно равномерно освещать определенную область, в конфокальной оптической системе свет, излучаемый точечным источником света, излучается линзой объектива, так что свет сходится к одной точке на образце. Как правило, конкретная длина волны лазерного излучения, которая распространяется по очень прямой линии, используется в качестве точечного источника света, так что большое количество света сходится в одной точке. Это уменьшает ненужный рассеянный свет от окружающей среды и улучшает контраст по сравнению с обычными оптическими микроскопами, которые равномерно освещают образец. Свет отражается на поверхности образца, возвращается по тому же оптическому пути, отделяется расщепителем луча и сходится на точечном отверстии. Эта оптическая система способна получать информацию только из фокального положения, поскольку большая часть отраженного света из других мест, кроме фокального положения, блокируется в точечном отверстии. Это означает, что конфокальная оптическая система может действовать как датчик высоты из-за его узкой глубины фокуса, в то время как обычная оптическая система не может из-за большой глубины резкости, которая включает в себя несфокусированные данные. Кроме того, в то время как в обычном оптическом микроскопе наложены не сфокусированные изображения из мест, отличных от фокального положения, конфокальная оптическая система блокирует отраженный свет из мест, отличных от фокального положения в точечном отверстии, формируя идеально сфокусированное чистое изображение с контраст. Хотя и говорится, что диаметр точечного отверстия в конфокальной оптической системе должен быть меньше расходимости, вызванной дифракцией пятна луча, этот диаметр определяется балансировкой чувствительности детектора, поскольку количество света уменьшается по мере увеличения Диаметр обскуры сужается.

Рисунок 1: Оптическая система формирования изображения и конфокальная оптическая система для оптических микроскопов
Рисунок 1: Оптическая система формирования изображения и конфокальная оптическая система для оптических микроскопов

1-2. Двумерное сканирование

Как описано выше, конфокальная оптическая система получает информацию только в направлении оптической оси. Следовательно, для преобразования данных в изображения требуется какая-то система двумерного сканера, ортогональная к оптической оси. Поскольку эта система двумерного сканера использует растровое сканирование для создания изображения, точность этой системы сканирования напрямую определяет производительность изображения; точное двухмерное сканирование является одной из важнейших технологий, используемых в лазерных сканирующих микроскопах. Системы сканирования обычно делятся на метод сканирования образцов и метод лазерного сканирования. Метод сканирования образца выполняется путем сканирования этапа XY, на котором помещается образец. Этот способ позволяет пользователю создавать изображение большой площади без необходимости использования функции оптического сканирования, поэтому конфокальная оптическая система будет иметь более простую структуру. Кроме того, этап XY может быть относительно легко управляемым относительно легко. Однако для сбора данных требуется очень много времени, и при высокой разрешающей способности необходимо с высокой точностью управлять этапом XY, включая образец для наблюдения. Метод лазерного сканирования выполняется путем сканирования лазерного луча на образец в двух измерениях, X и Y, с использованием двух механизмов сканирования. Хотя метод сканирования образца подходит для захвата больших волн на поверхности образца, метод лазерного сканирования идеально подходит для захвата мельчайших форм. Большинство промышленных лазерных сканирующих микроскопов, как правило, используют метод лазерного сканирования, чтобы отдавать приоритет времени получения изображения. Например, акустооптический дефлектор (AOD), многоугольное зеркало или резонансное гальваническое зеркало используется в направлении X в качестве механизма лазерного сканирования, поскольку требуется высокоскоростное сканирование. Эти механизмы сканирования кратко представлены ниже.

1-2-1. Акустооптические дефлекторы (AOD)

Акустооптический дефлектор (AOD) - это элемент, который использует дифракцию света. При модуляции частоты ультразвуковых волн и применении ее к материалу изменение преломления в материале действует как дифракционная решетка, обеспечивая соответствующий угол отклонения света. Хотя AOD может сканировать очень быстро, диапазон сканирования ограничен. Кроме того, следует избегать конфигурации, которая приводит к удалению (повторное попадание отраженного света от образца), поскольку удаление значительно снижает эффективность. Для этого требуется добавить линейный датчик или другой метод. Также важно проявлять достаточную осторожность при использовании AOD, потому что эффект линзы может вызвать астигматизм.

1-2-2. Зеркала Полигона

Многоугольные зеркала имеют очень простую конфигурацию и используются во многих областях, где требуется лазерное сканирование. Лазер сканируется путем установки зеркала на каждую грань многогранника и его вращения на высокой скорости с помощью двигателя или другого устройства. Скорость сканирования и угол наклона лазера определяются на основе количества граней зеркала (при условии, что скорость вращения постоянна). Требуется чрезвычайно точная регулировка, поскольку точность вращения определяет точность сканирования.

1-2-3. Резонансные Гальвано Зеркала

Резонансное гальваническое зеркало - это компактный лазерный сканирующий механизм, который поддерживает относительно большие углы колебаний. Поскольку его скорость определяется механической резонансной частотой, этот механизм ограничен по скорости по сравнению с другими механизмами сканирования. Однако недавние резонансные гальванические зеркала могут получать несколько мегапиксельных изображений каждую секунду. Также были разработаны зеркала, изготовленные по технологии MEMS (микроэлектромеханические системы), что позволяет уменьшить размеры устройства. MEMS сканеры представляют собой сочетание подвижной пластины, кручение (я думаю, вам нужен глоссарий) панели и опорной рамы сделаны путем травления один монокристаллического кремния платы. Подвижная пластина имеет катушки, управляемые магнитной цепью. Двумерное сканирование может быть достигнуто за счет использования характеристик высокоскоростного сканирующего механизма и объединения его с относительно низкоскоростным сканирующим механизмом в направлении Y. Нерезонансное гальваническое зеркало часто используется в механизме сканирования в направлении Y частично для удобства.

1-3. Конфокальный эффект и расширенное фокусное изображение

Рисунок 3: Расширенное фокусное изображение
Рисунок 3: Расширенное фокусное изображение

1-4. Трехмерные изображения

В конфокальной оптической системе положение Z с максимальной интенсивностью, то есть самое яркое положение Z, указывает информацию о высоте поверхности образца в этой точке. Используя этот факт, информация о высоте образца может быть получена путем записи положения Z с максимальной интенсивностью. На рисунке 4 показано, как на самом деле фиксируется информация о высоте. Таким же образом, как при захвате расширенного фокусного изображения, переместите образец и линзу объектива относительно друг друга и сохраните информацию о наиболее ярком положении Z для каждого пикселя, где можно получить максимальную интенсивность, при перемещении с высоты Z1 на Z2 , Это позволяет получить профиль поверхности образца в области получения изображения. Различные анализы могут быть выполнены на основе этой информации. Это означает, что информация об интенсивности и высоте может быть получена в одно и то же время путем захвата максимального значения интенсивности каждого пикселя в расширенную память изображений и высоты в это время в память изображений высоты. Это наиболее значимая характеристика конфокальных микроскопов, которая отличает их от других микроскопов.
Рисунок 4: Захват информации о высоте изображения
В конфокальной оптической системе положение Z с максимальной интенсивностью, то есть самое яркое положение Z, указывает информацию о высоте поверхности образца в этой точке

> Нажмите здесь для получения подробной информации о OLS5000, лазерных конфокальных микроскопах
> Нажмите здесь для получения подробной информации о OLS4500, нано-поисковых микроскопах