摘要：显微镜是人类最伟大的发明之一，它让人有机会从微观角度探究世界。从传统中的光学显微镜到目前的电子智能化显微镜，其正在朝有深度、有广度的方向发展。本文将简单研究显微镜的发展历史与类型，并思考它在长度计量中的实际应用。
关键词：显微镜；发展史；长度计量；实际应用
显微镜诞生于大约500年前，这500年间人类一直在致力于对显微镜高分辨率与高技术性的优化研究，希望突破传统显微镜分辨极限表达式中的所有光学参数指标寻找波长更短、照明光源更强、物镜数值孔径更大的显微镜。不过传统光学显微镜在分辨极限上存在局限性，最高只能达到波长 的1/2，所以说在显微镜工作中其可见光学波段是很难突破0.2mm分辨极限的。
一、显微镜的发展及类型
显微镜发展的500年历史中先后经历了远场显微镜和近场显微镜两个大时代，其中以远场显微镜为主的时代就包括了最原始的第一代光学显微镜和第二代电子显微镜。而到了近场显微镜时代，就出现了第三代显微镜，即扫描探针显微镜（Scanning Probe Microsccope,SPM，像原力显微镜、磁力显微镜、扫描离子电导显微镜、扫描电化学显微镜以及静电力显微镜等等都属于扫描探针显微镜。结合显微镜的发展历史可以见得它的发展类型还是相当丰富的，但无论是依靠哪一种成像原理或是照明光源，所有类型的显微镜都有一大共同点，即基于轴向放大功能、结合放大原理及方式展开工作，当然其放大能力根据显微镜类型的不同也有所不同。基于放大原理的显微镜显示术语被称为“分辨率”，一般传统光学显微镜的分辨率能达到200nm，而超声显微镜、X射线显微镜均可达到50nm，目前最为先进的电子显微镜以及扫描探针显微镜则能将分辨率提升到最低0.1nm，基本已经实现了放大功能的极限，体现出了近场显微镜的功能性优势所在。
（一）传统光学显微镜的发展及功能应用
传统光学显微镜所采用的是光学原理，将人眼所无法分辨的微小物体放大成像，供人提取其中的微细结构信息，光学显微镜拥有300年的历史，它与人类的第一台复式显微镜（Janssen，荷兰）一样，都采用到了光学原理。当时利用它已经能够观察生物的基本单元——细胞，所以它能够被应用于医疗、机械制造、电子、教学等等领域，专门用于进行工业生产、产品检验、计量测试以及科学研究，是近代人类最为重要的测量工具之一。
（二）超声显微镜的发展及功能应用
超声显微镜是以超声波为载体，并使其沿一定路径传播、转换，从而显示物体细微结构的显微装置。声镜的工作原理是:入射到物体上的声波经过反射、折射、衍射、吸收等声学现象与物体发生相互作用而携带了物质的信息，这些信息反映了物体结构、性质等特性，把携带物质信息的声波显示出来即实现了声成像。声镜的成像过程。压电换能器由信号源激发产生超声波，经超声透镜聚焦成细声束，通过耦合介质-水入射到被测样品，穿过样品到达对面的共声透镜，携带样品信息的声波经压电换能器在此将声波转换为电信号并经接收电路送到示波器，样品放在载物台上可作二维移动，聚焦声束在样品上作逐点逐行的扫描，示波器可显示出物体被照射部位的声像。
（三）电子显微镜的发展及功能应用
电子显微镜是第二代显微镜的代表，它利用电子束作为照明光源，在工作中主要根据电子波的长短实现可见光波长分析，其分辨能力远优于光学显微镜，其中就包含了扫描电子显微镜和透射电子显微镜。以扫描电子显微镜为例，它利用到了聚焦电子束，专门垂直于被测物体进行扫描分析，检测其背向散射电子与二次发射电子信号的变化情况并形成像分析。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆扫描电子显微镜在工作时主要通过电子束在样品表面进行扫描，并在样品上激发各种信号同时利用到探测器接收信号，同时还能调制显像管扫描电子束的实际强度，并利用阴极射线管在屏幕上扫描电子显微成像。另外，透射电镜就运用到了电子束，它能够在外部磁场或电厂作用下形成弯曲，创造光束在经过玻璃后的透射现象，所以它被称之为电子束“透镜”。透镜本身可实现对样品形貌的深入观察和物相分析，特别是能够观察到晶格的具体缺陷和化学、元素成分，是物理、化学等等领域微观科学分析检测不可或缺的重要工具。
（四）扫描探针显微镜的发展及功能应用
原子力显微镜属于扫描探针显微镜中的一种，它也是目前最为先进的显示镜类型之一，它拥有激光测量线，可消除阿贝误差，对干涉测量系统的光路放大与检测系统设计优化都很有帮助，能够为干涉测量系统提供较高的测量分辨率。作为一种近场显微镜，它拥有最高的分辨率，能够轻松观察原子，这是传统任何一代显微镜都无法比拟的技术性优势。而且原子力显微镜在应用环境方面更加宽松，可在包括常温、低温、高温、大气、溶液等各种环境中展开操作，并且与前代显微镜一样拥有极为广阔的应用范围空间，是未来科学发展的重要辅助工具[1]。
二、显微镜在长度计量中的应用简析
显微镜在长度计量中的应用非常广泛，例如像角度计量、量块计量、工程参量计量、纳米计量等等都能看到它的身影，本文简单介绍了显微镜在长度计量中的几点应用。
（一）显微镜的几何尺寸测量应用
在长度测量领域显微镜属于精密测量仪器，它主要用于工件几何尺寸的测量环境中，可做到以小见大，测量精度可达到微米量级，测量分辨率最高达到0.1μm左右。在某些工厂中会应用到大型工具显微镜，其可对设备及工件几何尺寸进行精确测量。
（二）显微镜的表面形貌测量应用
光切显微镜作为传统显微镜中的代表，它的分辨率最高可达到0.1mm，它能针对亚微米、微米量级的工件进行粗糙度测量。目前的轮廓仪、扫描电子显微镜也都能实现这一功能，特别是对纳米工件的测量非常精确。值得一提的是，针对某些工件几何尺寸的表面形貌测量可采用到非接触式测量方式，却具有令人满意的分辨率，对某些纳米工件可实现从表面几何结构到成分的全面测量。
（三）显微镜的在线宽与掩模测量应用
目前许多电子元器件工厂的超大规模集成芯研发生产进步速率较快，其电子元器件也正在朝小型化结构、高集成密度化方向发展，例如在线宽与掩模计量方面会提出较高要求。采用共焦显微镜就能实现对电子元器件线宽与掩模的测量。具体来讲，它主要通过激光在长焦透镜后形成发散光束，再配合短焦物镜汇聚投射样品表面，反射回短焦物镜，通过分光镜的小孔光阑与光电接收器接收光束。如果测量点恰好位于物镜焦点位置，则会形成共焦关系，随测量点偏离焦点，而此时信号也会随之变小，但光电接收器却能接收到最大信号。在线宽与掩模测量应用过程中，信号大小直接客观反映电子元器件样品表面高低变化，这其中小孔直径会对所测量分辨率起到决定性作用，目前采用共焦显微镜的最高测量分辨率就能达到10nm左右[2]。
总结：
综上所述，显微镜最最古老的复式显微镜到如今的扫描探针显微镜已经经历了几百年历史，它为人类真正打开了微观世界的大门，引领人们不断研究、提出新型显微镜应用技术，为未来的观察、测量与检测等科学领域创造了越来越好的科学研究环境条件。
参考文献：
[1]黄强先,権太聪,三隅伊知子, 等.亚纳米精度长度溯源计量型动态模式原子力显微镜[J].机械工程学报,2008(3):195-199.
[2]王蔚晨,何冬琦,莫伟平, 等.显微镜的发展及在长度计量中的应用[J].中国计量,2009(1):58-61.
论文作者:佟飞
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：显微镜论文; 测量论文; 电子显微镜论文; 光学论文; 样品论文; 电子束论文; 工件论文; 《电力设备》2019年第8期论文;