蔡司CSM700-3D共聚焦显微镜操作手册(修改)

Axio CSM 700真实色共聚焦显微镜
非接触式三维测量显微镜系统介绍:
Axio CSM 700真实色共聚焦显微镜以共聚焦光学为基本原理，使用高速线扫描为成像方法，并采用氙灯为真实色光源，是一款能够快速提供工业零部件表面彩色三维轮廓，并且完全不接触测试样品的仪器设备。

它具有三大“独门绝技”：共聚焦、线扫描、白光源。

由于采用了共聚焦成像原理，Axio CSM 700将传统光学分辨率提高1.4倍，其XY方向线分辨率达到160 nm。

同时，在充分利用共聚焦能提供高度信息的基础上，Axio CSM 700配备了精度高、重复性好的Z轴自动步进装置，最小步进精度达到10nm，这使得高度上亚微米，甚至纳米尺度的非接触式精确测量成为可能。

传统共聚焦采用点扫描成像，速度较慢；而Axio CSM 700采用线扫描，成像速度大大提高，最快的WF模式扫描速度超过100幅/秒，可以说瞬间即可得到测量结果，大大提高工作效率。

同时，Axio CSM 700使用白色光源，能够展现被测试样表面的真实颜色，从而将传统黑白共聚焦扫描显微镜拓展到更广阔的应用领域。

图1 实验室系统分部图
线扫描共聚焦成像原理
1
2
5
3
4
图2 显微镜光路图
氙灯照明器1发出的白光经过线性照明器2变成一组线光源，该组线光源随着2的精确移动从而实现在XY方向的线扫描。

扫描光束经过半反半透分光镜3，然后到达物镜最终到达样品表面4，携带样品表面高度信息的光束从样品表面4反射，经过分光镜3以及聚焦棱镜最后到达线性探测器5，该线性探测器5通过与线性照明器2的精确同步，实现仅对焦平面光线的探测，也就是满足共聚焦基本原理的探测。

最后，通过精密Z轴自动步进装置移动样品4，得到样品表面不同高度位置的一系列聚焦图像，计算机系统计算得到样品表面三维形貌。

参数指标
表1 显微镜参数表
蔡司CSM700 3D共聚焦显微镜简易操作手册
系统介绍: (1)
线扫描共聚焦成像原理 (2)
参数指标 (3)
1 开机及校准 (5)
1.1 开机 (5)
1.2 时间校准（timing setting） (5)
2 图像扫描与处理 (8)
2.1图像扫描 (8)
2.2图像处理 (9)
2.2.1噪声去除 (11)
2.2.1.1 Noise cut方法 (11)
2.2.1.2 F_Z Noise Cut 方法 (13)
2.2.1.3 利用Noise Cut的具体实例 (16)
3 常用测量介绍 (20)
3.1 高度测量 (20)
3.2 长度及宽度测量 (21)
3.3 粗糙度测量 (21)
4 图像输出与保存 (22)
5 关机及维护 (23)
5.1 关机步骤 (23)
5.2 保养及维护 (23)
1 开机及校准
1.1开机
打开灯箱上的开关使氙灯进入预热状态约15分钟，然后打开lamp 和shutter, 扭动钥匙打开控制面板，打开电脑和显示器以及软件进入预览工作界面。

1.2 时间校准（timing setting）
系统预热完成后，双击Live预览窗口。

在20倍物镜下放置一干净的载玻片，此时使用NORMAL模式，粗调找到载玻片的上表面后锁住，再细调到载玻片表面清晰(图3)。

时间校准并不是每次都要进行的，只需要在首次使用时进行此操作。

大约每隔几个月可以进行一次。

图 3 NORMAL模式下载玻片表面清晰图像
聚焦清晰后点击状态栏的按钮进入Timing Adjustment（图4）Navigator窗口大小设置为400%。

在弹出窗口中点击开始时间校准直至结束（图5和图6）。

图 4 时间校准导航设置画面
图5 时间校准进行中画面
图 6 时间校准完成时的画面
2图像扫描与处理
2.1图像扫描
时间校准完成后点击Ok结束，并把控制面板的扫描模式选为Normal模式。

调节显微镜镜体的粗调到适宜高度，放上待测的样品，从10倍开始粗调焦直到样品清晰后锁住，再细调到样品像清晰（图7），需要高倍观察的则转动物镜转盘切换物镜并调焦清晰。

此时把控制面板调到Confocus模式，能看到像的颜色发生改变（图8）。

设置一个参考平面(Ref)，转动细调旋钮设置扫描样品的下限（Down）以及上限（Up）（设置上下限最好在上下表面信号恰好消失时为准）,并设置扫描的时间（Scan time）为30S。

按控制面板的Start并点击OK开始扫描（图9）。

扫描结束后得到扫描后的图像。

图7 NORMAL模式下10倍物镜粗调焦后锁住，再微调细调得到的样品清晰画面
图8 Confocus模式下图7的变化结果
图9 粗聚焦完成，物品扫描结束
2.2图像处理
扫描结束后关掉预览窗口，点击状态栏按钮，此时为二维图显示（图10）。

因为在扫描过程中会有振动以及光照的影响，这些在样品结果中我们称为噪音，为了更好的显示图像需要去除噪音的干扰。

图10扫描完成后，二维显示图
图11 选用不同的倍数观察
去噪结束后得到样品的图像，然后就可以对样品进行测量，主要包括高度、长度及宽度、粗糙度等等。

2.2.1噪声去除
噪声的来源很多，比如异常的震动（检测的时候突然碰到桌子），样品表面脏东西造成的异常反光信号，样品存在倾角过大的斜坡，等等都会造成明显的噪声。

噪声信号在所有的电子设备中都是存在的，是一个普遍问题，如果用合适的方法把噪声去除后，就不会对测量产生影响。

2.2.1.1 Noise cut方法
总的步骤：扫描后的图像------（转化为高度图）
---------OK
首先选取工具栏的标记工具
图12 标记工具所在区域
图13 所用的符号
然后在Z图中选取噪声区域
图 14 利用图13的工具选取噪声区域的操作图接着就会弹出如下高度图
图 15 经过如图14的操作得到的高度效果图调整图15中四条线的位置,测出噪声的高和宽,得到如下的数据
图 16 经过调整图15中四条线的位置得到的高度和宽度图然后输入Noise Cut的值：Size为噪声的宽度，而Noise cut level可以取噪声高度的1/3，具体噪声。

在Noise Cut的Size中将10.00um改为35.22，将Noise cut level中的1.00um改为32.2/3的结果，然后点击OK即可。

图 17 Noise Cut的初始界面
2.2.1.2 F_Z Noise Cut 方法
总的步骤：扫描后的图像------（转化为高度图）
------
在Z高度图中，一般小的噪声点是尖刺，在图像中则显示为白点，那么我们可以根据一定的CUT值使白点消除。

把十字线都移动到白点上（噪声点），可以在截面图中看出白点是尖刺。

Fill mode设置为Fill Zero，然后再图18中进行调整。

图 18 F_Z Noise Cut 方法的界面操作图
调节Threshold的值，可以看出随着Threshold值的变化毛刺渐渐消失。

但是，此时毛刺消失的时候会有一些毛刺被切成空洞，为了反映样品的真实情况需要把空洞根据高度趋势填平。

那么只需要再毛刺切除后把Fill Mode改为即可。

现在参考图19和图20的对比，其中Threshold值调节为32时的尖刺消失，但有孔洞产生。

图19 Fill mode设置为 Fill Zero时的去噪效果图
Fill Mode 设置为Z Interpolation后孔洞按照高度变化的趋势被填平：
图 20 Fill mode设置成Z Interpolation时的去噪效果图
去噪前后的对比3D图如下：可以看出处理后的内壁要光滑，噪声毛刺较少。

图 21 去噪前的3D效果图
图 22 经过F_Z去噪后的3D效果图2.2.1.3 利用Noise Cut的具体实例
原始数据如下图23：
图 23 去噪前的3D Display图
图 24 去噪后的3D Display 图
有的设备去除噪声的方法是直接对整个图像取平均，也就是将尖峰和周围的信号平均起来，这样异常的噪声信号就被去除了。

我们的CSM提供了这种方法（Image Processing - Filter菜单）。

除了这个方法，CSM还提供了另外一个更有针对性的去除噪声的算法，就是根据噪声信号的范围
和强度，只处理噪声周围的信号，对噪声进行“切除”。

具体的菜单是Noise Cut和F_Z Noise Cut。

如图25。

图 25 Noise Cut和F_Z Noise Cut菜单的位置
图 26 Noise Cut 的初始界面
我们用的较多的是Noise Cut，它界面参数的含义是指如果在size指定的范围内，样品表面高度超过noise cut level指定的数值，会被认为是噪声，然后用size范围内的平均高度来代替噪声。

建议的参数设置方法是先量到异常尖峰的高度和宽度，如下图27中的35um 和23um，然后1/3高度作为noise cut level，将宽度作为size，就可以进行噪声的去除了。

图 27 举例说明Noise Cut的使用方法
去噪结束后点击状态栏的3D按钮，这样就会给出当前图像的三维显示，3D图像的显示如图28。

但请注默认的显示是侧面光照，为了更好的显示图像效果需要去除光照：右键—setting—lighting，勾掉Enable light（如图29）。

图28 去噪后的初步3D效果图
图29 去3D效果图光照的操作界面
3 常用测量介绍
3.1 高度测量
高度的测量是基于先得到测量区域的轮廓线，然后用两条线所夹的高度差表示相对高度。

分别表示任意的轮廓、水平线的轮廓以及垂直线的轮廓，如图30所示上方是二维图下方是图中黄线的轮廓线（垂直线），那么在轮廓线中就可以测量凸起的宽度以及高度。

图30 高度测量演示图
如果想把轮廓线叠加到二维图上所进行的操作为：在轮廓图上点击右键并选择Overlay on Image window即可，图31为二维效果图。

图31 轮廓线在二维图上的效果图
3.2 长度及宽度测量
长度和宽度的测量也是在二维图上进行的，分别代表长度、角度、平行线的测量以及输出到表格按钮。

选中相应的按钮在要测量的区域进行测量如图32。

注意，在测量的过程中每结束一次测量后点击把数据输出到表格，然后再进行下一次的测量。

图32 在二维图上测长和宽
3.3 粗糙度测量
粗糙度的测量是以高度测量为基础来评估样品表面的平滑程度。

同样粗糙度的测量也是在二维图上进行的，分别表示面粗糙度、线粗糙度以及输出结果到表格按钮。

选择相应的按钮后在图像上选择要测量的区域后测量结果会自动弹出（图33）。

图33 粗糙度测量的相关界面
4 图像输出与保存
软件中图像的格式为lms格式需要转化为Jpg等图像格式输出。

图像的输出包括以下几种方法：（1）在图像（或轮廓线）上点击右键—Transfer To Layout——Image File,这种输出方式的优点是可以对图像及数据进行编辑排版并可以添加文字，类似于报告模版的方式；（2）直接另存为As选择图像格式及存储位置。

注意该存储方式只存储图像，而图像上的测量数据（如宽度、标尺等）不会被保存；（3）测量结束后点击View/Convert—Create Overlay Image—As,这种存储格式会把数据以及图像的数据一同保存。

5 关机及维护
5.1 关机步骤
1. 关掉软件
2．取下样品并把物镜设置到低倍
3. 关闭灯箱上的Lamp（按两次）以及shutter(manual)
4．扭动钥匙关闭控制器
5. 关闭电脑
6. 待灯箱冷却后关闭灯箱电源
7. 关闭总电源
注：氙灯灯泡的寿命为3000—5000H，在不进行的测量的时候尽量关闭灯泡以节省时间，这时只要关闭灯箱上的Lamp（按两次）即可，但不要扭动钥匙关闭控制器，不然测量的时候要重新做时间校准。

5.2 保养及维护
主要注意事项如下：
1. 严格遵守系统的开、关流程（详见“开关机顺序”）。

2. 必须等灯箱充分冷却后，再关掉灯箱电源。

3. 刻录图像数据资料：应使用刻录光驱刻录，实验前应准备好刻录光盘。

切记：为了防止计算机病毒，尽量不在共聚焦电脑上使用U盘。

4. 未经授权，严禁自行安装任何软件！！！
5. 实验室温度应保持在22℃±2℃，湿度40%-60%。

6. 扫描过程中禁止触碰显微镜和桌面以免造成振动影响图像质量。

7. 整个实验过程应注意保持显微镜周围环境清洁。

8. 在不进行测量的时候请关掉灯箱灯泡，灯泡寿命为3000—5000小时，请注意使用时间并
及时订购更换配件。