顯微測量儀是納米級精度的表面粗糙度測量技術(shù)。它利用光學(xué)、電子或機(jī)械原理對微小尺寸或表面特征進(jìn)行測量，能夠提供納米級甚至更高級別的測量精度，這對于許多科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。

在拋光至粗糙表面測量中，中圖儀器的顯微測量儀器具有從0.1nm到1mm的測量范圍，每種儀器都有其功能和應(yīng)用范圍。

三種不同顯微測量技術(shù)在測量表面粗糙度方面的優(yōu)勢詳解

一、光學(xué)3D表面輪廓儀

工作原理：

1.光源與分光：儀器的光源發(fā)出的光束首先通過擴(kuò)束準(zhǔn)直，然后通過分光棱鏡分成兩束光。一束光直接投射到被測表面，另一束光則投射到參考鏡上。

2.反射與干涉：從被測表面反射回來的光束與從參考鏡反射回來的光束在分光棱鏡處匯聚，由于兩束光在不同的路徑上行進(jìn)，它們之間存在光程差。當(dāng)兩束光的光程差為半波長的整數(shù)倍時，它們會發(fā)生干涉，形成明暗相間的干涉條紋。

3.成像與分析：光學(xué)3D表面輪廓儀將被測表面的形貌特征轉(zhuǎn)化為干涉條紋信號。通過測量這些干涉條紋的變化，可以推算出被測表面的三維形貌。系統(tǒng)軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從而得到表面的粗糙度、臺階高度、幾何輪廓等參數(shù)。

測量能力：

1.粗糙度測量范圍：SuperViewW光學(xué)3D表面輪廓儀能夠測量從超光滑表面（0.1nm粗糙度）到相對粗糙表面（1mm粗糙度）的三維形貌。

2.垂直分辨率：SuperViewW光學(xué)3D表面輪廓儀可以達(dá)到0.1nm的垂直分辨率，這對于測量光滑表面的微小高度變化至關(guān)重要。

3.水平分辨率：水平分辨率取決于儀器的掃描范圍和傳感器的像素大小，它決定了可以測量的最小特征尺寸。

4.速度：光學(xué)3D表面輪廓儀視圖與分析工具同框設(shè)計，實(shí)現(xiàn)分析過程的所見即所得，大大縮減了操作時間；且批量測量樣品時，無需精確對焦，即可一鍵完成測量分析，有效提高生產(chǎn)效率。SuperViewW光學(xué)3D表面輪廓儀可加裝高速掃描模塊W-Ultra，在0.1nm分辨率下，其掃描速度提升到原機(jī)型的4倍以上。

5.非接觸式測量：非接觸式測量方式不會對樣品表面造成損傷，這對于易損或敏感材料非常重要。

在納米級表面粗糙度分析中的測量優(yōu)勢：

光學(xué)3D表面輪廓儀的特殊光源模式可以廣泛適用于從光滑到粗糙等各種精密器件表面的測量。

在納米級表面粗糙度分析中，光學(xué)3D表面輪廓儀能夠測量從超光滑表面到相對粗糙表面的三維形貌，覆蓋從0.1nm到1mm的粗糙度范圍。

二、共聚焦顯微鏡

工作原理：

1.點(diǎn)光源和點(diǎn)探測：顯微鏡使用一個照明針孔來產(chǎn)生點(diǎn)光源，這個點(diǎn)光源照射到樣品上，然后樣品上的特定點(diǎn)反射的光通過另一個探測針孔被探測器捕獲。

2.共焦平面：照明針孔和探測針孔是共軛的，這意味著只有處于共焦平面上的點(diǎn)才能被探測器接收，而平面外的光則被針孔阻擋，從而抑制了背景噪聲。

3.逐點(diǎn)掃描：樣品通過載物臺在X、Y軸方向上移動，而光束在Z軸方向上掃描，從而獲得樣品表面的三維形貌。

4.圖像重建：通過計算機(jī)軟件，將逐點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)重建為樣品表面的三維圖像。

測量能力：

1.粗糙度范圍：從0.1nm到1mm不同粗糙度的表面，都能測量。

2.納米級分辨率：共聚焦顯微鏡可以達(dá)到0.1nm的垂直分辨率，這對于觀察和測量極微小的表面特征非常有用。

3.高對比度成像：由于共聚焦顯微鏡抑制了焦平面外的光，具有很強(qiáng)的縱向深度的分辨能力。它所展示的圖像形態(tài)細(xì)節(jié)更清晰更微細(xì)，能夠提供色彩斑斕的真彩圖像便于觀察。

4.適應(yīng)性：共聚焦顯微鏡適用于各種不同類型的材料，包括金屬、陶瓷、聚合物等。在工業(yè)制造中的應(yīng)用包括但不限于質(zhì)量控制、材料特性分析、缺陷檢測、表面處理效果評估等。

5.自動化和軟件分析：現(xiàn)代共聚焦顯微鏡通常配備有自動化掃描系統(tǒng)和軟件分析工具，可以進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測量和數(shù)據(jù)分析。

在納米級表面粗糙度分析中的測量優(yōu)勢：

由于使用了點(diǎn)光源和點(diǎn)探測，共聚焦顯微鏡具有比傳統(tǒng)顯微鏡更高的軸向（Z軸）分辨率。

共聚焦顯微鏡具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)大角度形貌的測量能力，能夠測量傾斜角近乎90度的漫反射斜坡面形貌，尤其擅長大坡度、低反射率的粗糙表面形貌測量。

三、臺階儀

工作原理：

1. 探針接觸式測量：測量時通過使用2μm半徑的金剛石針尖在超精密位移臺移動樣品時掃描其表面，通過探針的垂直移動來測量表面的高度變化。

2.精密位移平臺：樣品或探針安裝在精密的位移平臺上，該平臺可以在X、Y軸方向上進(jìn)行精確移動，以掃描樣品表面。

3.傳感器反饋：測針的垂直位移距離被轉(zhuǎn)換為與特征尺寸相匹配的電信號并最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字點(diǎn)云信號。

4.數(shù)據(jù)采集：隨著位移平臺的移動，數(shù)據(jù)點(diǎn)云信號在分析軟件中呈現(xiàn)為掃描軌跡的輪廓曲線，從而獲得表面輪廓的精確信息。

5.計算機(jī)處理：采集到的數(shù)據(jù)通過不同的分析工具進(jìn)行處理和分析，從而獲取相應(yīng)的臺階高或粗糙度等有關(guān)表面質(zhì)量的數(shù)據(jù)，具備3D掃描和成像顯示功能。

測量能力：

1.表面粗糙度分析：能夠測量樣品的粗糙度和波紋度，分析軟件通過計算掃描出的微觀輪廓曲線，可獲取粗糙度與波紋度相關(guān)的Ra、RMS、Rv、Rp、Rz等數(shù)十項(xiàng)參數(shù)。

2.臺階高度與薄膜測量范圍：能夠測量納米到330μm甚至1000μm的臺階高度。最小至8nm的臺階高標(biāo)準(zhǔn)塊的測量能力，以及臺階測量精度（0.3%）和重復(fù)性（0.05%），奠定了臺階儀在微納米臺階與膜厚快速測量領(lǐng)域絕對的實(shí)力。

3.小尺寸特征測量：臺階儀能夠測量非常小的特征尺寸，這對于微電子和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域非常重要。

4.適應(yīng)性：具有很強(qiáng)的應(yīng)用場景適應(yīng)性，其對被測樣品的反射率特性、材料種類及硬度等均無特殊要求，能夠廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、太陽能光伏、光學(xué)加工、MEMS器件、微納材料制備等各行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的工業(yè)企業(yè)與高校院所等科研單位。

在納米級表面粗糙度分析中的測量優(yōu)勢：

具備透光性的薄膜，光學(xué)儀器無法測量獲取準(zhǔn)確的膜厚數(shù)值，而臺階儀測量膜厚不受基材透射率影響，規(guī)避光學(xué)儀器的弱點(diǎn)。

選擇合適的測量技術(shù)，取決于包括被測材料的特性、所需的測量精度、測量范圍、表面特性以及預(yù)算等因素。在某些情況下，也可能需要結(jié)合使用多種測量技術(shù)，以獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。