显微课堂 | 如何选择合适的测量显微镜

选择测量显微镜的基本要素和专家提示，确保为工业和科学应用提供准确可靠的结果

测量显微镜可用于分析许多不同的样品，包括质量控制、故障分析、研发和其他应用。在选择测量显微镜时，必须考虑几个因素，包括样品和应用的类型以及系统在分辨率和多功能性方面的性能，从而选择合适的显微镜。

有一系列徕卡体视显微镜、复合显微镜和数码显微镜可帮助用户进行精确、可靠的测量，例如样品特征的距离、角度、面积和高度，有效满足各种应用需求。

核心要点

为什么要使用测量显微镜？

测量显微镜是分析样品特征尺寸的重要工具，对于检测、质量控制(QC)、故障分析和研发(R&D)至关重要。

如何选择合适的测量显微镜

选择适合您需要的测量显微镜取决于以下因素：

样本类型、大小及其相关特征

应用，例如，无论是检验 QC、故障分析还是  R&D

显微镜的性能决定了它能多清晰地分辨细节和精确测量样品特征

显微镜的分辨率，即分辨精细细节的能力

相机的像素大小，这对于在监视器上查看或测量样品特征的分辨率非常重要

光学质量和显微镜光学系统的色差或球差校正，以及平面度或平面度校正

选择合适的显微镜

无论是使用安装了数码相机的体视显微镜或复合显微镜，还是使用数码显微镜，在决定使用哪种显微镜进行测量时都需要考虑一些重要因素.

测量显微镜示例

本的二维测量（请参阅下图示例）、高级三维测量和自动测量，均给出了示例。

使用测量显微镜，用户可以测量样品特征的二维和三维尺寸，这对检测、质量控制、故障分析和研发&D 至关重要。然而，选择合适的显微镜需要评估应用需求以及显微镜的性能、易用性和灵活性。如今，测量通常以数字方式进行，即使用带有摄像头和软件的显微镜，图像显示在显示器上，而不是通过目镜网线，从而提高了精度和可重复性。使用合适的测量显微镜可靠、快速地分析样品。

为什么要使用测量显微镜？

测量显微镜是分析各种样品特征尺寸的重要工具。它们在各行各业的检测、质量控制(QC)、故障分析和研发(R&D) 中发挥着至关重要的作用。选择合适的测量显微镜取决于用户的具体需求和其他因素，包括分析的样品类型、应用、光学性能和相机分辨率。

在现代，测量显微镜具有数字化功能，配备了摄像头、图像显示监视器和软件，允许用户以自动化方式精确测量和分析样品。

有关如何选择最合适的测量显微镜的更多信息，请参阅下文。

如何选择测量显微镜

样本类型、大小和相关特征  

在选择测量显微镜之前，用户应了解需要成像的样品类型以及需要分析的特征或结构。所需的显微镜取决于测量的是样品表面特征还是内部结构。此外，对于内部结构的测量，样品制备也至关重要。

表面特征可能比表面高出很多，通常是三维的，因此需要一台景深大、分辨率高的显微镜。通常无需进行样品制备。

要进行内部结构分析，样品通常是不透明的，因此必须制备横截面。截面制备包括切割、打磨和抛光 [1]。例如，印刷电路板（PCB）和组件（PCBA）以及集成电路（IC）（参见图 1）。由于内部结构可能很小，通常需要分辨率更高的显微镜。

图 1. 这里展示的示例包括：A)可测量印刷电路板样品的表面特征；B)可测量集成电路芯片横截面的内部结构。

应用

各种应用都需要测量显微镜。比较常见的有检验、质量控制(QC)、故障分析和研发(R&D)。

检验和质量控制 需要精确可靠的测量，以验证产品尺寸、识别缺陷并确保生产过程中的一致性。显微镜必须能够快速从观察样品区域的全貌到精确可靠地观察精细细节。

故障分析 包括调查组件或材料的完整性以及故障原因。显微镜可用于分析宏观或微观尺度的裂纹、磨损或缺陷。

R&D 往往涉及在开发新材料和部件甚至生产工艺的过程中，往往在微观尺度上对理解不深的复杂样品特征或结构进行研究。用于测量的显微镜应高度精确、可靠和灵活。

性能  

测量显微镜的性能决定了它能在多大程度上清晰地分辨精细细节并精确测量样品特征或结构。实现最佳性能的关键因素包括光学和数字分辨率，以及光学像差和平面度或平面度的校正。

分辨率

分辨率是指显微镜分辨精细细节的能力，例如两个间隔很近的小点或细线之间的距离。这是完成精确测量任务的关键因素。测量显微镜的分辨率取决于光学元件的数值孔径 (NA)、使用的照明和对比方法以及数码相机的像素大小（见下文）[2,3]。NA 越大，分辨率越高。通常情况下，倍率越高的物镜 NA 值越大。分辨率也受光波长的影响，但通常使用平均波长为 550 纳米的白光。

摄像头像素大小  

对于数码显微成像来说，相机的像素大小对分辨率非常重要 [2]。大多数数码显微照相机的像素尺寸在 1 到 5 微米之间。当放大倍数超过 2 倍时，显微系统的分辨率取决于数值孔径和光波长。在放大倍数较低的情况下，即小于 2 倍时，数值孔径通常很小，相机传感器的分辨率极限将开始低于光学分辨率（数值孔径和光波长）。在低倍率情况下，相机传感器很可能决定显微系统的分辨率。像素越小，电子显示屏上图像的数字分辨率就越高，尤其是在放大倍数较低的情况下。

光学质量和像差  

显微镜光学系统必须校正色差、球差和平面度（参见下图 2），这些都会影响测量精度[4]。这些像差会导致图像严重失真，而平面性可确保图像在整个视场内保持平整。像差校正和平面度对于精确测量都很重要。徕卡显微镜物镜校正标准包括消色差和变色差两种 [5]。消色差装置具有消色差校正功能，其中红光和蓝光波长（在白光范围内）的绝对聚焦值均小于物镜景深(DOF) [6] 的 2 倍。变色龙具有变色校正功能，红色、绿色和蓝色波长光的绝对焦距值小于 DOF 的 1 倍。消色差和变色差视场(FOV)的平面度（也称为视场平整度）最多为 25 毫米。下图 2A 显示了物镜的 DOF 和 FOV，图 2B 显示了色差校正。

图 2： 光学显微镜成像中必须校正的一些像差：

A） 示意图，显示显微镜物镜对样品成像时的视场（FOV）和景深（DOF）；

B） 通过白光经过透镜的光线追迹，演示消色差和复消色差校正；

C） 同样利用光线追迹进一步说明球差校正；

D） 示意图，解释光学透镜可能产生的畸变以及相应的校正方式。

选择合适的显微镜

立体显微镜、复合显微镜或数码显微镜  

测量显微镜使用固定光学镜组 [7] （复式）或变焦光学镜组 [8]（立体）[参见图 3]。传统的体视显微镜或复合显微镜有目镜，而数码显微镜 [9] 则没有，因此图像由集成相机检测并显示在显示器上。数码显微系统可以使用固定光学镜头或变焦光学镜头。带有变焦光学镜头的体视显微镜和数码显微镜可提供更大的样本视野，但分辨率较低。复式显微镜和数码显微镜采用固定光学镜片，分辨率更高，但视野更小。如今，绝大多数用户都利用数字成像和软件对样品进行测量和分析。徕卡显微系统公司提供的一系列体视显微镜、复合显微镜和数码显微镜以及数码显微镜相机和软件具有良好的测量显微镜性能。

图 3. 上图为 Leica A)立体显微镜、B)复合显微镜和、C)数码显微镜。

需要考虑的重要因素  

要确定用于测量的显微镜类型，必须事先考虑一些因素:

要测量和分析的样品类型、大小和形态（固体、液体等），以及成像所需的任何特殊考虑因素，如电气或环境条件（温度、湿度）

需要测量的应用

测量时必须解决的样本特征尺寸

需要特殊的照明和对比度 [10-13] 才能清楚地看到特征

显微镜设置和软件使测量变得实用，尤其是在需要多次测量的情况下

对于许多样品类型和应用，无论是检测、质量控制、故障分析还是 R&D，显微镜的易用性、多功能性和灵活性都至关重要。用户友好的设置和可定制的界面降低了复杂性，最大限度地减少了测量误差，并缩短了学习软件的时间。测量显微镜易于使用、用途广泛且灵活，可提高用户在测量时的舒适度和效率，从而获得准确可靠的数据。

显微镜在分辨率、照明和样品定位方面的性能也很重要。分辨率、照明度和对比度应使所关注的样本特征尺寸易于分辨并清晰可见。要对样品进行定位测量，可能需要一个具有高精度水平和垂直（x、y 和 z）调整功能的平台，以确保对特征和结构进行准确可靠的测量。

显微镜校准对于可靠和精确的测量至关重要 [14]。在显微镜安装完成后，最初应使用参照物或标准进行校准，然后定期检查。这对获取可靠数据和遵守标准非常重要。

测量显微镜示例

徕卡测量显微镜为各行业和科学领域提供精确、可靠、高效的检测、质量控制、故障分析和研发&D 解决方案，适用于以下情况。

基本的 2D 测量  

如果只需要进行基本的二维测量，例如样品特征和结构的尺寸、特征或结构之间的距离、相交结构之间的角度或各种几何形状的面积，那么使用 Enersight 软件的徕卡显微镜就是最佳解决方案（参见图 4）。它甚至可以在没有电脑的情况下进行操作。

图 4. 配备 LAS X 的徕卡测量显微镜，用于分析钢合金的自动测量。

自动测量  

在某些情况下，自动测量是实用的方法，因此，使用LAS X 软件，配备自动光学镜组、平台和色谱柱设置的徕卡显微镜是好选择（参见图 6）。

自动显微镜解决方案简化了样品测量和分析过程，减少了用户干预和工作量，降低了误差，同时提高了结果的可重复性和工作流程效率。它尤其适用于需要对复杂样品进行高通量重复分析的工业和研究应用，例如对晶粒、相和夹杂物进行金属合金微观结构分析。

图 5. 配备 LAS X 的徕卡测量显微镜，用于分析钢合金的自动测量。