顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦：用于設(shè)備設(shè)計(jì)的主動(dòng)式與被動(dòng)式方法

Evident向基于顯微鏡的成像系統(tǒng)制造商供應(yīng)超多規(guī)格的物鏡以及其他光學(xué)部件，為設(shè)備和儀器設(shè)計(jì)者提供支持。這些組件能幫助工程師們輕松有效地設(shè)計(jì)高質(zhì)量的光學(xué)檢測(cè)設(shè)備。

此類設(shè)計(jì)方案的一個(gè)重要組成部分是主動(dòng)式自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)。當(dāng)該技術(shù)與顯微鏡的電動(dòng)Z軸——機(jī)械裝置、照明系統(tǒng)、物鏡和/或數(shù)碼相機(jī)結(jié)合使用時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。這些裝置使用主動(dòng)式方法對(duì)焦樣本，讓光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)受益良多。

這篇文章將深入探討主動(dòng)式自動(dòng)對(duì)焦方法——了解它是什么，比較它與其他方法的優(yōu)劣，并探究它對(duì)于光學(xué)檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)（如半導(dǎo)體檢測(cè)）的主要優(yōu)勢(shì)。
 

 
顯微鏡的自動(dòng)對(duì)焦方法對(duì)比：主動(dòng)式與被動(dòng)式
 
一般來(lái)說(shuō)，有兩種類型的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)：

• 主動(dòng)式系統(tǒng)將來(lái)自專用自動(dòng)對(duì)焦光源的光照射到樣本上，并根據(jù)返回的光進(jìn)行對(duì)焦。該技術(shù)適用于樣本缺乏對(duì)比度的高級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)，如平板和裸晶圓檢測(cè)系統(tǒng)。主動(dòng)式自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)也有不同的類型。瞳孔分離系統(tǒng)允許在不將樣本（移動(dòng)到初始焦點(diǎn)平面上方或下方的情況下檢測(cè)焦點(diǎn)方向，從而使對(duì)焦快速且易于跟蹤。在單點(diǎn)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)中，焦點(diǎn)位于樣本表面的視場(chǎng)中心。
• 被動(dòng)系統(tǒng)使用觀察到的圖像進(jìn)行對(duì)焦。這種技術(shù)（圖1）通常被稱為圖像對(duì)比法。在被動(dòng)式方法中，難以確定對(duì)焦方向，因此必須在Z方向上下移動(dòng)載物臺(tái)以檢測(cè)樣本對(duì)比度的增加或減少。這會(huì)減慢對(duì)焦速度，并使人難以掌握對(duì)焦情況。然而，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)便宜。

• 當(dāng)樣本稍微側(cè)移時(shí)，焦點(diǎn)位置在階梯頂部和底部之間的不穩(wěn)定移動(dòng)。
• 由于階梯邊緣的自動(dòng)對(duì)焦光的散射，導(dǎo)致對(duì)焦誤差信號(hào)的信噪比 (SNR) 變差。

圖2. 半導(dǎo)體樣本聚焦不穩(wěn)定的原因：(左）焦點(diǎn)位置的變化和（右）階梯邊緣的散射

 
為了解決這些問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一種使用多個(gè)焦點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)的主動(dòng)式自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)（圖3，右）。我們還增添了一個(gè)功能，通過(guò)移動(dòng)自動(dòng)對(duì)焦光學(xué)系統(tǒng)的中繼鏡的光軸，將焦點(diǎn)位置偏移到所需的觀察位置。這就消除了焦點(diǎn)不穩(wěn)定的問(wèn)題（圖4和圖5）。

圖3. 樣本表面對(duì)焦檢測(cè)點(diǎn)對(duì)比：（左）單點(diǎn)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，（右）多點(diǎn)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)

圖4. 焦點(diǎn)位置偏移功能

(a) 在單點(diǎn)系統(tǒng)中，將樣本移到一側(cè)會(huì)移動(dòng)焦點(diǎn)位置

(b) 在多點(diǎn)系統(tǒng)中，將同一樣本移到一側(cè)不會(huì)改變焦點(diǎn)位置

 
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