共聚焦顯微鏡由顯微鏡光學系統、激光光源、掃描器及檢測及處理系統4部分組成，采用相干性較好的激光作為光源，在傳統光學顯微鏡基礎上采用共軛聚焦原理和裝置，并利用計算機對圖像進行處理的一套觀察、分析和輸出系統。其核心優勢在于通過 “空間針孔” 過濾雜光，顯著提升分辨率與圖像對比度，下文光子灣科技將結合光學仿真軟件VirtualLab Fusion中的建模案例，解析共聚焦顯微鏡的工作原理與橫向位移檢測邏輯。

共聚焦顯微鏡的光學系統與部件

建模中搭建的共聚焦顯微鏡系統，核心部件與參數如下：

輸入場：波長532nm 的 x 方向線偏振平面波，光束直徑 7mm；

關鍵光學元件：分束鏡（光路轉向）、物鏡（焦距f=50mm，數值孔徑 NA=0.25，負責聚焦光線）、套管透鏡（焦距 f=14mm，傳導成像光）、空間針孔（直徑 2μm，過濾雜光核心）、功率探測器（檢測最終光信號）；

測試對象：金屬光柵（占空比50%，周期 5μm，含交替 “脊” 與 “凹槽” 結構，用于模擬物體位移）。

共聚焦顯微鏡的工作原理

共聚焦顯微鏡的核心原理的是：焦平面外光的精準過濾，只保留焦平面有效光。

焦點區域的光狀態探測場

輸入平面波經分束鏡導向物鏡，被聚焦到待測金屬光柵的焦平面上；

光線從光柵反射后，會攜帶焦平面內（如金屬脊）和焦平面外（如凹槽，反射光失焦）的信號；

反射光經物鏡、分束鏡傳導至空間針孔時，焦平面外的散射/ 反射光會被針孔阻擋，僅焦平面內的有效光（如金屬脊的強反射光）能通過；

最后，有效光經套管透鏡匯聚到功率探測器，形成高對比度、高分辨率的成像信號。

共聚焦顯微鏡的橫向位移檢測邏輯

通過金屬光柵的不同橫向偏移（無偏移、1.25μm 偏移、2.5μm 偏移），可觀察到位移與功率的直接關聯：

測試對象的直接反射

測試對象成的像

功率測量與測試對象的橫向偏移

反射規律：光線照射金屬“脊” 時反射最強，照射 “凹槽” 時因反射光失焦，光信號顯著減弱；

成像特點：套管透鏡后的共軛像平面中，僅±1 級衍射光參與成像，且位移會改變 “脊 / 凹槽” 與光路的對應關系 —— 如偏移 1.25μm、2.5μm 時，凹槽對應的像平面區域功率明顯降低；

位移- 功率聯動：實驗中將光柵橫向移動10μm，功率探測器可清晰捕捉到功率變化：目標的橫向偏移直接轉化為探測器接收的功率差異，證明共聚焦顯微鏡能靈敏檢測物體微小橫向位移。

綜上，通過VirtualLab Fusion 搭建模型，清晰闡明了共聚焦顯微鏡工作原理：光學系統部件協同作用，以偏振平面波為輸入，依托物鏡聚焦、空間針孔濾光、功率探測器接收，實現焦平面外雜光的精準剔除。同時，以金屬光柵為測試對象的實驗，直觀驗證了橫向位移與探測功率的聯動關系：從無偏移時的強反射功率，到1.25μm、2.5μm 偏移后的功率下降，再到 10μm 移動中的信號變化，均證明共聚焦顯微鏡既能憑借焦平面光篩選提升成像質量，又能靈敏捕捉物體微小橫向位移。

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