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ISO 25178-607:2019 — 表面纹理：共焦显微镜仪器的标称特性
使用共焦显微镜进行区域表面纹理测量 — 规格与工程见解
ISO 25178-607 标准简介
ISO 25178-607:2019 规定了用于区域表面纹理测量的共焦显微镜仪器的标称特性。共焦显微镜是一种光学成像技术，通过使用空间针孔阻挡离焦光线来增强空间分辨率。在区域表面计量中，它有两种主要实现形式：激光扫描共焦显微镜（LSCM），使用聚焦激光束逐点构建图像；以及转盘共焦显微镜（SDCM），使用带有数千个针孔的旋转盘进行并行图像采集。
共焦显微镜的标志性特征是其光学切片能力——从标本的薄层（亚微米级）光学切片中捕获清晰图像的能力。通过在不同 z 位置获取一系列此类切片并检测每个像素的最大强度轴向位置，可以以卓越的横向分辨率（使用高 NA 物镜可达 0.1 µm）重建三维表面形貌。
关键规格与性能特性
ISO 25178-607 的 2019 年修订版引入了反映过去十年共焦技术进步的最新要求。关键规格包括针孔尺寸（通常为 0.5–1 艾里单位）、照明波长、物镜 NA 和轴向响应曲线特性。共焦系统的轴向分辨率从根本上由物镜的 NA 和针孔尺寸决定，较小的针孔提供更好的光学切片能力但信号强度降低。
| 参数 | ISO 25178-607 要求 | 典型性能 | 测量影响 |
|---|---|---|---|
| 针孔直径 | 0.5–2 艾里单位 | 最佳分辨率 0.5–1 AU | 越小 z 分辨率越好，信号越弱 |
| 横向分辨率 | 衍射极限 | 0.1–0.5 µm（高 NA） | 优于大多数光学方法 |
| 轴向分辨率 | 由 NA 和针孔决定 | 0.5–2 µm | 光学切片能力 |
| 最大倾斜角 | 取决于 NA | ±60–80° | 在光学区域方法中最佳 |
| 扫描方式 | 激光点或转盘 | LSCM: 1–100 fps; SDCM: 10–1000 fps | 速度与分辨率的权衡 |
为获得最佳共焦测量效果，在需要最大轴向分辨率时（如测量薄膜厚度或 Sa 低于 0.1 µm 的表面粗糙度），选择 0.5–0.7 艾里单位的针孔尺寸。在信号强度较低（如暗色表面）或优先考虑测量速度而非极限分辨率时，使用 1–2 艾里单位的针孔。
共焦系统的工程设计考量
共焦显微镜用于区域表面测量的设计涉及几个关键的工程权衡。针孔尺寸是最重要的参数：较小的针孔可提高轴向分辨率，但会降低信号强度，需要更高的激光功率或更长的积分时间。最佳针孔尺寸取决于具体的测量任务——对于具有高反射率的光滑表面，小针孔可获得极佳效果，而粗糙或暗色表面则受益于较大的针孔。
色差是共焦显微镜中的一个重要问题，特别是在使用宽带光源时。该标准规定了色差校正的要求，以确保所有波长都聚焦到同一平面。现代共焦系统采用复消色差物镜，对三种波长（红、绿、蓝）进行校正，并使用平场校正实现平坦视场成像。对于区域表面测量，场曲校正尤为重要，以确保在整个视场内测量结果一致。
深度信号衰减对于具有深特征的表面的共焦测量可能是一个问题。随着焦平面移入结构更深的位置，来自深层特征的信号受到上层散射和吸收的衰减。这种效应在激光扫描共焦系统中尤为明显。转盘共焦系统通常表现出更好的深度穿透能力，其并行检测方案除了提高信噪比外，还减少了光漂白和光毒性效应。
跨行业应用
共焦显微镜已成为精密工程和制造质量控制中不可或缺的工具。在半导体行业，它用于蚀刻特征的关键尺寸（CD）测量、晶圆凸块高度测量和亚微米结构的缺陷复查。在 MEMS 行业，共焦显微镜表征微镜阵列、压力传感器膜片和加速度计结构的形貌。在医疗器械行业，它测量支架、手术器械和牙科植入物的表面纹理。
一家 MEMS 代工厂使用符合 ISO 25178-607 的共焦检测设备对惯性传感器结构进行晶圆级表征。该系统在 5 分钟内完成全晶圆形貌测量，横向分辨率达 0.15 µm，实现了对关键特征的 100% 检测，而这些特征以前需要破坏性截面分析和 SEM 分析。
常见问题
LSCM 与 SDCM 在表面测量中的主要区别是什么？
激光扫描共焦显微镜（LSCM）使用单个聚焦激光点逐点扫描表面，提供卓越的光学切片能力和使用特定激光波长的能力。转盘共焦显微镜（SDCM）使用带有数千个针孔的旋转盘进行并行采集，提供更快的成像速度（10–1000 fps，而 LSCM 为 1–100 fps），但由于相邻针孔之间的串扰，分辨率通常略低。
共焦显微镜适合测量粗糙表面吗？
是的，共焦显微镜可以处理比许多其他光学方法更粗糙的表面，使用高 NA 物镜时最大可测量斜率可达 80°。然而，非常粗糙的表面（Sa > 100 µm）可能因高 NA 物镜有限的工作距离和深谷中的信号衰减而面临挑战。对于此类表面，变焦显微镜（ISO 25178-606）或组合方法可能更合适。
如何校准用于区域表面测量的共焦显微镜？
校准应遵循 ISO 25178-70 中的程序，使用物理测量标准。关键的校准件包括台阶高度标准（用于 z 轴校准）、横向间距标准（用于 xy 校准）和区域粗糙度标准（用于整体系统验证）。校准间隔取决于使用情况，但通常不应超过 12 个月，并应使用检查标准进行每日或每周验证。
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