共聚焦顯微鏡由顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)、激光光源、掃描器及檢測(cè)及處理系統(tǒng)4部分組成，采用相干性較好的激光作為光源，在傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡基礎(chǔ)上采用共軛聚焦原理和裝置，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理的一套觀察、分析和輸出系統(tǒng)。其核心優(yōu)勢(shì)在于通過 “空間針孔” 過濾雜光，顯著提升分辨率與圖像對(duì)比度，下文光子灣科技將結(jié)合光學(xué)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(cè)邏輯。

共聚焦顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)與部件

建模中搭建的共聚焦顯微鏡系統(tǒng)，核心部件與參數(shù)如下：

輸入場(chǎng)：波長(zhǎng)532nm 的 x 方向線偏振平面波，光束直徑 7mm；

關(guān)鍵光學(xué)元件：分束鏡（光路轉(zhuǎn)向）、物鏡（焦距f=50mm，數(shù)值孔徑 NA=0.25，負(fù)責(zé)聚焦光線）、套管透鏡（焦距 f=14mm，傳導(dǎo)成像光）、空間針孔（直徑 2μm，過濾雜光核心）、功率探測(cè)器（檢測(cè)最終光信號(hào)）；

測(cè)試對(duì)象：金屬光柵（占空比50%，周期 5μm，含交替 “脊” 與 “凹槽” 結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)過濾，只保留焦平面有效光。

焦點(diǎn)區(qū)域的光狀態(tài)探測(cè)場(chǎng)

輸入平面波經(jīng)分束鏡導(dǎo)向物鏡，被聚焦到待測(cè)金屬光柵的焦平面上；

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

反射光經(jīng)物鏡、分束鏡傳導(dǎo)至空間針孔時(shí)，焦平面外的散射/ 反射光會(huì)被針孔阻擋，僅焦平面內(nèi)的有效光（如金屬脊的強(qiáng)反射光）能通過；

最后，有效光經(jīng)套管透鏡匯聚到功率探測(cè)器，形成高對(duì)比度、高分辨率的成像信號(hào)。

共聚焦顯微鏡的橫向位移檢測(cè)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(guān)聯(lián)：

測(cè)試對(duì)象的直接反射

測(cè)試對(duì)象成的像

功率測(cè)量與測(cè)試對(duì)象的橫向偏移

反射規(guī)律：光線照射金屬“脊” 時(shí)反射最強(qiáng)，照射 “凹槽” 時(shí)因反射光失焦，光信號(hào)顯著減弱；

成像特點(diǎn)：套管透鏡后的共軛像平面中，僅±1 級(jí)衍射光參與成像，且位移會(huì)改變 “脊 / 凹槽” 與光路的對(duì)應(yīng)關(guān)系 —— 如偏移 1.25μm、2.5μm 時(shí)，凹槽對(duì)應(yīng)的像平面區(qū)域功率明顯降低；

位移- 功率聯(lián)動(dòng)：實(shí)驗(yàn)中將光柵橫向移動(dòng)10μm，功率探測(cè)器可清晰捕捉到功率變化：目標(biāo)的橫向偏移直接轉(zhuǎn)化為探測(cè)器接收的功率差異，證明共聚焦顯微鏡能靈敏檢測(cè)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(xué)系統(tǒng)部件協(xié)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(cè)器接收，實(shí)現(xiàn)焦平面外雜光的精準(zhǔn)剔除。同時(shí)，以金屬光柵為測(cè)試對(duì)象的實(shí)驗(yàn)，直觀驗(yàn)證了橫向位移與探測(cè)功率的聯(lián)動(dòng)關(guān)系：從無偏移時(shí)的強(qiáng)反射功率，到1.25μm、2.5μm 偏移后的功率下降，再到 10μm 移動(dòng)中的信號(hào)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(zhì)量，又能靈敏捕捉物體微小橫向位移。

光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對(duì)各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對(duì)多樣化測(cè)量場(chǎng)景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測(cè)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、功能等五大分析技術(shù)

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

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，助力從表面粗糙度與性能分析的精準(zhǔn)把控，成為推動(dòng)新能源領(lǐng)域技術(shù)升級(jí)的重要光學(xué)測(cè)量工具。

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