共聚焦显微镜技术及系统组成介绍

随着科技的飞速发展，精密测量领域对于高分辨率和高精度的需求日益增长。在这一背景下，共聚焦显微镜技术以其独特的优势脱颖而出，成为3D表面测量的前沿技术。美能光子湾3D共聚焦显微镜作为这一领域的佼佼者，以其卓越的性能和创新的技术，为高精度3D表面测量提供了强有力的工具。

由于显微镜具有较高的分辨率，且能实现与物体非接触测量，避免测量时因接触带来的损伤和误差，它被广泛应用于各种精密的3D测量领域。比如，近场扫描光学显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜以及普通光学显微镜都可以进行3D表面的高精度测量。但是这些方法之间仍存在许多的问题，它们对环境要求高，实现过程复杂，分辨率以及测量精度较低，在表面轮廓测量领域的应用受到极大的限制。

Part.01

共聚焦显微镜

近年来，共聚焦显微镜由于其独特的轴向响应能力，特别是在各种高精度的显微成像应用中，被广泛用于表征非常小的3D结构并测量表面轮廓。

共焦显微镜主要分为激光共聚焦和彩色共聚焦等，激光共聚焦显微镜（laser confocal microscope，LCM）测量三维表面形貌时，需要对每个点进行精确的深度扫描，这严重降低了测量效率。

激光共焦显微镜示意图

然而，彩色共聚焦显微镜（chromatic confocal microscope，CCM）具有独特的高分辨率和轴向响应能力，不需要轴向逐点扫描，且对环境要求低、检测精度能够达到微米级，克服了激光共聚焦显微镜的缺陷，被广泛应用在物体表面的形貌测量和检测上。

彩色共焦显微镜模型示意图

Part.02

共焦显微系统组成

• 色散物镜

色散物镜是共焦系统中的核心部件，其设计方式主要包括折射式和衍射式。

折射式色散物镜因其光学系统的设计比较成熟，加工简单，价格经济合理，便于色散等特点，在早期被广泛应用。

（左）5个双胶合透镜组合的色散物镜；

（右）双胶合消色差透镜和单片非球面色散聚焦透镜组合的色散物镜

衍射光学元件带来的色散特性和传统折射光学器件的色散特性相反，色散效果也更加明显，因此，为了提高系统的灵敏度、分辨率和线性度，改善成像质量，许多研究者将折射和衍射透镜组合的方式引入到色散物镜的设计中。

折衍射色散透镜组设计

此外，菲涅尔透镜能够获得更优秀的线性度，有利于提高衍射效率和横向空间分辨率。

菲涅尔波带片

• 光源

色散是宽带光学系统中非常普遍的现象，彩色共焦技术是通过反射光谱的聚焦波长来解码样品表面的轴向位移，当白光光源（LED）通过光阑后会有一部分能量损失，这将会影响光谱信号的信噪比，通过增大孔径的方式会影响到系统的分辨力。

由于光源和样品表面的色散特性对反射光谱有很大的影响，导致在许多位移测量中焦点波长发生偏移，利用稳定光源可有效提高彩色共焦测量系统的精度，还利于扩展量程，提高轴向分辨和采样速度。

• 共焦针孔

共焦显微镜的照明针孔和探测针孔具有共轭关系，共焦点即为被探测点。来自物镜焦点的信号只能通过共轭针孔检测，该针孔在聚焦光通过的同时还抑制了杂散光的干扰，实现了三维空间滤波的目的。因此，可以实现高空间分辨率的光学切片。共焦针孔的直径严重影响成像的亮度和分辨率，如果针孔尺寸增加过大，系统横向分辨率将与传统光学显微镜相同，系统的轴向精度降低；针孔尺寸过小会影响光的通过，导致光强度损失，使光探测器接收不到足够多的能量信号，从而降低测量精度。

共聚焦显微镜中的针孔效应

因此，共焦针孔的大小需要综合考虑信噪比和光通量。此外，在不同样本的共焦成像光路系统中，使用可调节的光圈是不够的，不仅需要克服不同孔径针孔尺寸的大小，同时还需保持探测光路的对准。为了实现针孔的快速、准确以及可重复定位，开发了众多改变针孔尺寸的系统，例如圆形针孔电动线性阵列，通过机动方形或六边形光圈来改变针孔尺寸。

ME-PT3000

美能光子湾3D共聚焦显微镜

美能光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

• 超宽视野范围，高精细彩色图像观察

• 提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析功能

• 采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

共聚焦显微镜技术以其卓越的轴向响应能力和高分辨率成像，在精密测量领域扮演着越来越重要的角色。从色散物镜的设计创新到光源和共焦针孔的优化，共焦显微镜技术不断突破传统限制，实现了对物体表面形貌的亚微米级精准测量。美能光子湾3D共聚焦显微镜将继续在精密测量领域发挥其重要作用，为科研和工业带来更多的创新和突破。原文出处：《Confocal microscope technology and application》

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