隨著科技的飛速發展，精密測量領域對于高分辨率和高精度的需求日益增長。在這一背景下，共聚焦顯微鏡技術以其獨特的優勢脫穎而出，成為3D表面測量的前沿技術。美能光子灣3D共聚焦顯微鏡作為這一領域的佼佼者，以其卓越的性能和創新的技術，為高精度3D表面測量提供了強有力的工具。

由于顯微鏡具有較高的分辨率，且能實現與物體非接觸測量，避免測量時因接觸帶來的損傷和誤差，它被廣泛應用于各種精密的3D測量領域。比如，近場掃描光學顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡以及普通光學顯微鏡都可以進行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，它們對環境要求高，實現過程復雜，分辨率以及測量精度較低，在表面輪廓測量領域的應用受到極大的限制。

Part.01

共聚焦顯微鏡

近年來，共聚焦顯微鏡由于其獨特的軸向響應能力，特別是在各種高精度的顯微成像應用中，被廣泛用于表征非常小的3D結構并測量表面輪廓。

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，需要對每個點進行精確的深度掃描，這嚴重降低了測量效率。

激光共焦顯微鏡示意圖

然而，彩色共聚焦顯微鏡（chromatic confocal microscope，CCM）具有獨特的高分辨率和軸向響應能力，不需要軸向逐點掃描，且對環境要求低、檢測精度能夠達到微米級，克服了激光共聚焦顯微鏡的缺陷，被廣泛應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

共焦顯微系統組成

• 色散物鏡

色散物鏡是共焦系統中的核心部件，其設計方式主要包括折射式和衍射式。

折射式色散物鏡因其光學系統的設計比較成熟，加工簡單，價格經濟合理，便于色散等特點，在早期被廣泛應用。

（左）5個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

衍射光學元件帶來的色散特性和傳統折射光學器件的色散特性相反，色散效果也更加明顯，因此，為了提高系統的靈敏度、分辨率和線性度，改善成像質量，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計中。

折衍射色散透鏡組設計

此外，菲涅爾透鏡能夠獲得更優秀的線性度，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

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

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，導致在許多位移測量中焦點波長發生偏移，利用穩定光源可有效提高彩色共焦測量系統的精度，還利于擴展量程，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系，共焦點即為被探測點。來自物鏡焦點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還抑制了雜散光的干擾，實現了三維空間濾波的目的。因此，可以實現高空間分辨率的光學切片。共焦針孔的直徑嚴重影響成像的亮度和分辨率，如果針孔尺寸增加過大，系統橫向分辨率將與傳統光學顯微鏡相同，系統的軸向精度降低；針孔尺寸過小會影響光的通過，導致光強度損失，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

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中，使用可調節的光圈是不夠的，不僅需要克服不同孔徑針孔尺寸的大小，同時還需保持探測光路的對準。為了實現針孔的快速、準確以及可重復定位，開發了眾多改變針孔尺寸的系統，例如圓形針孔電動線性陣列，通過機動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測量任務，提供值得信賴的高質量數據。

• 超寬視野范圍，高精細彩色圖像觀察

• 提供粗糙度、幾何輪廓、結構、頻率、功能等五大分析功能

• 采用針孔共聚焦光學系統，高穩定性結構設計

提供調整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數據處理功能

共聚焦顯微鏡技術以其卓越的軸向響應能力和高分辨率成像，在精密測量領域扮演著越來越重要的角色。從色散物鏡的設計創新到光源和共焦針孔的優化，共焦顯微鏡技術不斷突破傳統限制，實現了對物體表面形貌的亞微米級精準測量。美能光子灣3D共聚焦顯微鏡將繼續在精密測量領域發揮其重要作用，為科研和工業帶來更多的創新和突破。原文出處：《Confocal microscope technology and application》

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