首頁  >  用於粗糙度量測的機器  >  非接觸式表面粗糙度、輪廓測量儀

非接觸式表面粗糙度、輪廓測量儀


非接觸式

非接觸式是以光線代替接觸式的觸針。有共焦方式或白色干涉方式等多種不同原理的方式。另外,也有僅將接觸式檢測器改為光感測器型或顯微鏡型的型式,具有多種樣貌。此處以KEYENCE 的形狀量測雷射顯微鏡VK-X 系列為範例,說明共焦方式。

形狀量測雷射顯微鏡是以共焦原理量測目標物體表面凹凸的顯微鏡。使用雷射光源。系統構成如右圖,將目標物體放置於量測部的XY 載物台上進行量測。


KEYENCE 的形狀量測雷射顯微鏡VK-X 系列量測部內建XY 掃描器,使用雷射光源依X 方向及Y 方向掃描目標物體表面後,可取得表面的凹凸資料。原理敘述如下。


形狀量測雷射顯微鏡的量測原理

  1. 1. 雷射光源發出雷射光掃描目標物體表面。
  2. 2. 目標物體表面反射的雷射光通過半透明反光鏡進入受光元件。此時雷射顯微鏡會記憶反射光的光量及鏡片高度位置。其取得的資料數為X 方向1024 筆資料、Y 方向768 筆資料,會記憶1024 × 768 =一共786432 點,包含所有點的反射光量及鏡片高度位置。
  3. 3. 完成一面掃描後,物鏡會以指定的間距往Z 方向移動。
  4. 4. 在移動後的面上進行相同的表面掃描,確認1024 × 768 點的雷射反射光量。將每個畫素的反射光量與v 記憶的反射光量比較,如果數值較高,會覆寫反射光量資料及鏡片高度位置資料。
  5. 5. 依照指定的Z 距離重複進行(2) 到(4) 的動作。
  6. 6. 最後1024 × 768 各畫素都會記憶各自畫素中雷射反射最強時的反射光量及鏡片高度位置。
  7. 7. 光學式顯微鏡對焦於目標物體的WD(工作距離: 物鏡及目標物體之間的距離)是固定的。若將反射光量最大時視為對焦,只要將對焦時,也就是反射光量最大時的鏡片高度位置連接起來,就會取得顯微鏡觀察範圍(1024 × 768 畫素)的3D 資料。

形狀量測雷射顯微鏡的量測精度

利用「對焦時反射光量最大」共焦原理的顯微鏡,其量測精度會大幅受到正確讀取反射光量峰值能力的影響。建構共焦光學系統的方法有許多種。以下說明KEYENCE 形狀量測雷射顯微鏡所採用的「針孔共焦方式」。
針孔共焦方式於受光元件前方設置針孔。針孔直徑僅數十μm,其功能為在沒有對焦時阻絕反射光。
下圖中「對焦時」,一般光學系統及雷射共焦光學系統中的反射光都會進入受光元件。但「未對焦時」,一般光學系統反射光(焦點模糊光線)會進入受光元件,但雷射共焦光學系統反射光(焦點模糊光線)則會被針孔阻絕。也就是說,僅有在對焦時反射光才會進入受光元件,藉此建構共焦光學系統。

使用共焦光學系統及一般光學系統模擬實際進入的反射光量結果如右圖所示。共焦光學系統在焦點位置的反射光量有明顯的峰值出現,但一般光學系統僅能描繪出平滑曲線。由於焦點位置附近沒有明顯的峰值,因此難以檢測焦點位置。


雷射的XY 方向解析度

非接觸式的光點相當於接觸式的探針。由於非接觸式不像接觸式會直接碰觸目標物體,因此不會有探針磨損或刮傷目標物體的缺點。光點直徑大小則是正確量測目標物體形狀的重要因素。光點直徑若越大,則只能取得比實際形狀更平滑的資料。
由於雷射顯微鏡使用雷射光源,可形成非常微小的光點。使用×150(N.A. = 0.95)物鏡時,採用紫光雷射光源的VK-X250,平面空間解析度的解像力可以達到0.13 μm。 雷射顯微鏡可量測接觸式無法量測的狹小寬度凹凸。


非接觸式表面粗糙度、形狀量測儀器的特點

包含已說明的要點,將非接觸式的特點整理如下。

優點 缺點
  • - 不傷樣本表面
  • - 比起接觸式,可量測微小凹凸
  • - 量測時間短
  • - 可與觀察影像同時比較形狀(顯微鏡型)
  • - 能取得媲美SEM 的高解析度、超深度影像(彩色3D 雷射顯微鏡)
  • - 量測目標物體大小受限(部分顯微鏡型)

量測時間

形狀量測雷射顯微鏡掃描一幅1024 x 768 的畫面需約0.1 秒。取得具有100 階Z 方向資料的3D 資料所需時間約10 秒。若為一條橫向線條,約1.5 秒即可取得1000 階資料。

同時比較觀察影像及形狀& 取得高解析度、超深度影像

形狀量測雷射顯微鏡可取得量測中雷射反射光量資訊。
(參照雷射顯微鏡量測原理)利用此雷射反射光量資訊可取得目標物體表面狀態的雷射影像。此外,VK-X 系列除了雷射用的受光元件之外,還內建彩色CCDCAMERA,可取得目標物體的顏色資訊。由於雷射影像的解析度非常高,且可將對焦部分重疊製作影像,因此可得到媲美掃描電子顯微鏡(SEM)的觀察影像。此外,將此高解析度的雷射影像加上彩色CCD 的顏色資訊,便能以彩色畫面且所有位置都對焦的影像進行觀察。(彩色超深度影像)這是SEM 無法比擬的影像。

量測粗糙度或形狀時,由於只需在觀察畫面上指定量測點便可量測形狀,因此有以下好處。

  • - 可正確指定量測點
  • - 由於可同時確認形狀及影像,能輕鬆確認結構

右圖為形狀量測雷射顯微鏡VK-X 系列量測粗糙度的畫面實例。接觸式難以在基板的圖形上設置探針,但雷射顯微鏡可於畫面上進行確認,因此能輕易進行量測。


適用大型目標物體

一般來說,顯微鏡只能量測放在XY 載物台上的目標物體。形狀量測雷射顯微鏡VK-X 系列結構上可將顯微鏡量測頭與底座分離。再搭配使用大型目標物體專用治具,就無目標物體限制。右圖為與FPD 面板用大型載物台組合的範例。




頁首

其他頁面