工业显微镜设计漫谈
南京诺曼斯精密光学仪器有限公司
刘军珺
我国自主设计生产的显微镜，主要用于生物和教学，以中低端的生物显微镜为主，上世纪80年代，以南京江南光学仪器厂为代表的显微镜生产厂家，也开始涉及高端显微镜，先后开发了干涉相衬显微镜，高级荧光显微镜，金相显微镜，倒置金相显微镜，连续变倍体视显微镜，光学方面则是联合高校设计，后由于国企改革，技术人员严重流失，这些产品部分停产。国内的中高端显微镜主要依靠进口。
随着我国工业的快速发展，产品的精密检测也和世界先进国家接轨，工业上对显微镜的要求越来越多。
工业不同于生物，医学和教学，由于工业领域的不同，对显微镜的要求也不同，一旦抢得先机，又往往成为行业的标准。
工业显微镜按照检测和测量，可以分为两大类
第一类为检测用仪器。比如半导体，LED，液晶行业中，用于硅片检查，封装检查，导电粒子的观察。 这类显微镜一般有体视显微镜，金相显微镜及单筒视频显微镜。
第二类为测量用仪器，比如刀具的角度尺寸测量，齿轮轮廓测量，PCB板镀层测量等。这类显微镜一般带有XY光栅测量，另有带Z轴测量等功能，搭配软件实现各种要求的测量。
在实际应用中，由于行业的不同，对显微镜的要求也不同。
例如半导体行业，以体视显微镜和金相显微镜为主，但同时需要各种带落射光的变倍及定倍单筒。
体视显微镜：体视显微镜在电子厂作为生产工具，工人几乎是8小时一直观察使用，最早以进口体视显微镜为主，后由于需要降低成本，开始使用国产体视显微镜。但是，从使用性能来说，国产和进口的技术差距还是很大的，主要表现在分辨率，光学同轴的上，用工人的话说，国内的显微镜，使用时间长后会觉得头晕，后由于工业相机的发展及成本降低，采用单筒变倍加工业相机和显示器，取代了大部分的体视显微镜。
金相显微镜：用于观察硅片的光刻情况，由于硅片的尺寸有大有小，则对于平台的尺寸有比较多的要求，这点也是国内显微镜的短板。
芯片封装，金线连接观察，诞生了3D显微镜，即通过加载一个可旋转的镜头，对四周的金线状态进行观察。
近十年，国内电子有一个重要的分支—液晶行业，提到液晶行业，必须要着重介绍微分干涉显微镜
从上世纪70年代开始，日本夏普公司将液晶显示技术首次用于小型计算器开始，不到半个世纪，液晶技术经历了从交流驱动的实用化，到TN,STN及现在的TFT技术阶段。2016 8月29日，TCL集团发布公告称，旗下华星光电将在深圳市光明新区投资465亿元建设第11代TFT-LCD及AMOLED新型显示器件生产线项目，也就是液晶屏的生产，短短的十多年，TFT-LCD生产线已经到了11代。
TFT液晶屏有一道重要的COG工艺，即chip on glass，使用导电粒子连接芯片和LCD基板两者的电极使之导通。此工艺中需要检测两者线路对准情况，导电粒子的数量和爆破状态。
这些工厂，最早都使用进口的显微镜，主要为日本尼康和奥林巴斯，当时一台显微镜价格大概在30万。2008年我们开始设计生产国产的微分干涉显微镜，同年国内首台微分干涉显微镜问世，经过几年的努力，产品在液晶行业占有一席之地。
在设计中，需要对市场做充分调研，了解当前市场使用的主要机型并给予剖析。在最早的过程中，我们拆装了很多进口的显微镜，比如NIKON L200，OLYMPUS MX系列，在技术上有较为充分的了解。
其二，将技术难点充分暴露出来，提出对策。在刚接触微分干涉技术的时候，我们甚至连如何使用都不知道，通过大量查找资料和实践，才真正理解。
其三，学会解决重点问题。设计生产微分干涉显微镜，在国内也属于首创，当时对于我们来说，技术问题很多，快速移动平台国内没有配套，需要自己设计；微分干涉部件的设计和制造，国内基本上是空白，有几篇论文，找到作者，也只是停留在论文状态；微分干涉配套物镜，国内没有现成的。
我们先解决了镜体和平台问题，微分干涉部件采用了进口的部件。而微分干涉物镜，经过大量的测试工作，找不同厂家测试各种物镜暂时可以使用。
这样在2008年年底，首台国产的微分干涉显微镜问世（见图一），其主要特点：
考虑到国外显微镜配置和使用复杂，对操作人员要求高，我们将把复杂的调试部分已经集成在一起做成封闭，实现“傻瓜式”操作。
与传统的显微镜相比较，改进的卤素灯照明发热大，使用寿命短的缺点，设计采用了高亮度，低热量、长寿命的显微镜内置LED灯照明，既环保，又给工厂减少了耗材备品和更换频率。
8"×8"快速移动载物台，是国内首家自己设计生产的，完全满足8"以下的所有LCD、IC晶圆等大尺寸的快速检测。
具备双组调焦系统，可以配置不同物镜，同时可以适配较高的样品观察。
2010年，由于我们的微分干涉显微镜各方面的优势，市场有一定的占有率，国外厂家停止提供供应微分干涉部件，只好背水一战，12年完成微分干涉部件的设计和批量生产，至此完全实现的显微镜的国产化，填补了国内行业的空白。
