隨著科技的飛速發(fā)展，精密測量領(lǐng)域?qū)τ诟叻直媛屎?a target="_blank">高精度的需求日益增長。在這一背景下，共聚焦顯微鏡技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢脫穎而出，成為3D表面測量的前沿技術(shù)。美能光子灣3D共聚焦顯微鏡作為這一領(lǐng)域的佼佼者，以其卓越的性能和創(chuàng)新的技術(shù)，為高精度3D表面測量提供了強(qiáng)有力的工具。

由于顯微鏡具有較高的分辨率，且能實(shí)現(xiàn)與物體非接觸測量，避免測量時(shí)因接觸帶來的損傷和誤差，它被廣泛應(yīng)用于各種精密的3D測量領(lǐng)域。比如，近場掃描光學(xué)顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡以及普通光學(xué)顯微鏡都可以進(jìn)行3D表面的高精度測量。但是這些方法之間仍存在許多的問題，它們對環(huán)境要求高，實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜，分辨率以及測量精度較低，在表面輪廓測量領(lǐng)域的應(yīng)用受到極大的限制。

Part.01

共聚焦顯微鏡

近年來，共聚焦顯微鏡由于其獨(dú)特的軸向響應(yīng)能力，特別是在各種高精度的顯微成像應(yīng)用中，被廣泛用于表征非常小的3D結(jié)構(gòu)并測量表面輪廓。

共焦顯微鏡主要分為激光共聚焦和彩色共聚焦等，激光共聚焦顯微鏡（laser confocal microscope，LCM）測量三維表面形貌時(shí)，需要對每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精確的深度掃描，這嚴(yán)重降低了測量效率。

激光共焦顯微鏡示意圖

然而，彩色共聚焦顯微鏡（chromatic confocal microscope，CCM）具有獨(dú)特的高分辨率和軸向響應(yīng)能力，不需要軸向逐點(diǎn)掃描，且對環(huán)境要求低、檢測精度能夠達(dá)到微米級，克服了激光共聚焦顯微鏡的缺陷，被廣泛應(yīng)用在物體表面的形貌測量和檢測上。

彩色共焦顯微鏡模型示意圖

Part.02

共焦顯微系統(tǒng)組成

• 色散物鏡

色散物鏡是共焦系統(tǒng)中的核心部件，其設(shè)計(jì)方式主要包括折射式和衍射式。

折射式色散物鏡因其光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較成熟，加工簡單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)合理，便于色散等特點(diǎn)，在早期被廣泛應(yīng)用。

（左）5個(gè)雙膠合透鏡組合的色散物鏡；

（右）雙膠合消色差透鏡和單片非球面色散聚焦透鏡組合的色散物鏡

衍射光學(xué)元件帶來的色散特性和傳統(tǒng)折射光學(xué)器件的色散特性相反，色散效果也更加明顯，因此，為了提高系統(tǒng)的靈敏度、分辨率和線性度，改善成像質(zhì)量，許多研究者將折射和衍射透鏡組合的方式引入到色散物鏡的設(shè)計(jì)中。

折衍射色散透鏡組設(shè)計(jì)

此外，菲涅爾透鏡能夠獲得更優(yōu)秀的線性度，有利于提高衍射效率和橫向空間分辨率。

菲涅爾波帶片

• 光源

色散是寬帶光學(xué)系統(tǒng)中非常普遍的現(xiàn)象，彩色共焦技術(shù)是通過反射光譜的聚焦波長來解碼樣品表面的軸向位移，當(dāng)白光光源（LED）通過光闌后會(huì)有一部分能量損失，這將會(huì)影響光譜信號的信噪比，通過增大孔徑的方式會(huì)影響到系統(tǒng)的分辨力。

由于光源和樣品表面的色散特性對反射光譜有很大的影響，導(dǎo)致在許多位移測量中焦點(diǎn)波長發(fā)生偏移，利用穩(wěn)定光源可有效提高彩色共焦測量系統(tǒng)的精度，還利于擴(kuò)展量程，提高軸向分辨和采樣速度。

• 共焦針孔

共焦顯微鏡的照明針孔和探測針孔具有共軛關(guān)系，共焦點(diǎn)即為被探測點(diǎn)。來自物鏡焦點(diǎn)的信號只能通過共軛針孔檢測，該針孔在聚焦光通過的同時(shí)還抑制了雜散光的干擾，實(shí)現(xiàn)了三維空間濾波的目的。因此，可以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的光學(xué)切片。共焦針孔的直徑嚴(yán)重影響成像的亮度和分辨率，如果針孔尺寸增加過大，系統(tǒng)橫向分辨率將與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡相同，系統(tǒng)的軸向精度降低；針孔尺寸過小會(huì)影響光的通過，導(dǎo)致光強(qiáng)度損失，使光探測器接收不到足夠多的能量信號，從而降低測量精度。

共聚焦顯微鏡中的針孔效應(yīng)

因此，共焦針孔的大小需要綜合考慮信噪比和光通量。此外，在不同樣本的共焦成像光路系統(tǒng)中，使用可調(diào)節(jié)的光圈是不夠的，不僅需要克服不同孔徑針孔尺寸的大小，同時(shí)還需保持探測光路的對準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)針孔的快速、準(zhǔn)確以及可重復(fù)定位，開發(fā)了眾多改變針孔尺寸的系統(tǒng)，例如圓形針孔電動(dòng)線性陣列，通過機(jī)動(dòng)方形或六邊形光圈來改變針孔尺寸。

ME-PT3000

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

• 超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

• 提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析功能

• 采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

共聚焦顯微鏡技術(shù)以其卓越的軸向響應(yīng)能力和高分辨率成像，在精密測量領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。從色散物鏡的設(shè)計(jì)創(chuàng)新到光源和共焦針孔的優(yōu)化，共焦顯微鏡技術(shù)不斷突破傳統(tǒng)限制，實(shí)現(xiàn)了對物體表面形貌的亞微米級精準(zhǔn)測量。美能光子灣3D共聚焦顯微鏡將繼續(xù)在精密測量領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用，為科研和工業(yè)帶來更多的創(chuàng)新和突破。原文出處：《Confocal microscope technology and application》

*特別聲明：本公眾號所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問題，敬請聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間核實(shí)并處理。