VirtualLab Fusion建模图解：共聚焦显微镜的工作原理与横向位移逻辑

共聚焦显微镜由显微镜光学系统、激光光源、扫描器及检测及处理系统4部分组成，采用相干性较好的激光作为光源，在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和装置，并利用计算机对图像进行处理的一套观察、分析和输出系统。其核心优势在于通过 “空间针孔” 过滤杂光，显著提升分辨率与图像对比度，下文光子湾科技将结合光学仿真软件VirtualLab Fusion中的建模案例，解析共聚焦显微镜的工作原理与横向位移检测逻辑。

共聚焦显微镜的光学系统与部件

建模中搭建的共聚焦显微镜系统，核心部件与参数如下：

输入场：波长532nm 的 x 方向线偏振平面波，光束直径 7mm；

关键光学元件：分束镜（光路转向）、物镜（焦距f=50mm，数值孔径 NA=0.25，负责聚焦光线）、套管透镜（焦距 f=14mm，传导成像光）、空间针孔（直径 2μm，过滤杂光核心）、功率探测器（检测最终光信号）；

测试对象：金属光栅（占空比50%，周期 5μm，含交替 “脊” 与 “凹槽” 结构，用于模拟物体位移）。

共聚焦显微镜的工作原理

共聚焦显微镜的核心原理的是：焦平面外光的精准过滤，只保留焦平面有效光。

焦点区域的光状态探测场

输入平面波经分束镜导向物镜，被聚焦到待测金属光栅的焦平面上；

光线从光栅反射后，会携带焦平面内（如金属脊）和焦平面外（如凹槽，反射光失焦）的信号；

反射光经物镜、分束镜传导至空间针孔时，焦平面外的散射/ 反射光会被针孔阻挡，仅焦平面内的有效光（如金属脊的强反射光）能通过；

最后，有效光经套管透镜汇聚到功率探测器，形成高对比度、高分辨率的成像信号。

共聚焦显微镜的横向位移检测逻辑

通过金属光栅的不同横向偏移（无偏移、1.25μm 偏移、2.5μm 偏移），可观察到位移与功率的直接关联：

测试对象的直接反射

测试对象成的像

功率测量与测试对象的横向偏移

反射规律：光线照射金属“脊” 时反射最强，照射 “凹槽” 时因反射光失焦，光信号显著减弱；

成像特点：套管透镜后的共轭像平面中，仅±1 级衍射光参与成像，且位移会改变 “脊 / 凹槽” 与光路的对应关系 —— 如偏移 1.25μm、2.5μm 时，凹槽对应的像平面区域功率明显降低；

位移- 功率联动：实验中将光栅横向移动10μm，功率探测器可清晰捕捉到功率变化：目标的横向偏移直接转化为探测器接收的功率差异，证明共聚焦显微镜能灵敏检测物体微小横向位移。

综上，通过VirtualLab Fusion 搭建模型，清晰阐明了共聚焦显微镜工作原理：光学系统部件协同作用，以偏振平面波为输入，依托物镜聚焦、空间针孔滤光、功率探测器接收，实现焦平面外杂光的精准剔除。同时，以金属光栅为测试对象的实验，直观验证了横向位移与探测功率的联动关系：从无偏移时的强反射功率，到1.25μm、2.5μm 偏移后的功率下降，再到 10μm 移动中的信号变化，均证明共聚焦显微镜既能凭借焦平面光筛选提升成像质量，又能灵敏捕捉物体微小横向位移。

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