共聚焦显微镜增强显微成像，用于纳米技术的精确分析

 

共聚焦显微技术，作为光学显微镜领域的一项里程碑式创新，为科学家们提供了一种全新的视角，以前所未有的清晰度观察微观世界。美能光子湾3D共聚焦显微镜，作为光学显微镜领域的革命性工具，不仅能够捕捉到传统宽视野光学显微镜难以触及的精细图像，更以其共聚焦技术，为我们提供了控制景深、消除背景干扰的先进手段，从而显著提升图像质量。

 

 

近年来，共聚焦显微镜的普及度呈爆炸式增长，部分原因是可以相对轻松地从为传统荧光显微镜准备的样本中获取极高质量的图像。这项技术通过精确的光学切片和高效的光束聚焦，使得科学家们能够清晰地观察和分析样本、材料和纳米结构，从而在半导体技术、生物学、材料科学等领域取得突破性进展。

 

Part.01

 共聚焦显微镜发展历程

共聚焦显微镜的基本概念最初由 Marvin Minsky 在 20 世纪 50 年代中期提出，于 1955 年制造出第一台共聚焦扫描显微镜 ，并于 1957 年申请了专利。通过移动载物台来实现焦平面中照明点的扫描。当时他还是哈佛大学的博士后。Minsky 想要在未染色的脑组织制剂中对神经网络进行成像，并希望对生物系统中发生的生物事件进行成像。Minsky 的发明在很大程度上没有引起人们的注意，这很可能是因为缺乏成像所需的强光源和处理大量数据所需的计算机马力。

来自 Minsky 专利申请的方案，显示了他制造的透射共聚焦扫描显微镜的原理

 

 

继 Minsky 的工作之后，Mojmir Petran 和 Milan Hadravsky在 20 世纪 60 年代末制造了一种多光束共聚焦显微镜，该显微镜利用旋转（Nipkow）盘来检查未染色的脑切片和神经节细胞。

 

 

Petran 串联扫描显微镜的方案

 

 

之后，M. David Egger 继续在这一领域探索，开发出第一台机械扫描共聚焦激光显微镜，并于 1973 年发表了第一张可识别的细胞图像。

 

在 20 世纪 70 年代末和 80 年代，计算机和激光技术的进步，加上数字图像处理的新算法，引起了人们对共聚焦显微镜的兴趣日益浓厚。荷兰物理学家 G. Fred Brakenhoff 于 1979 年开发了扫描共聚焦显微镜，而几乎与此同时，Colin Sheppard 也为该技术做出了贡献，提出了图像形成理论。Tony Wilson、Brad Amos 和 John White 培育了这一概念，并在后来（20 世纪 80 年代末）展示了共聚焦成像在荧光生物样本检查中的实用性。第一批商用仪器于 1987 年问世。

 

20 世纪 90 年代，光学和电子学的进步带来了更稳定、更强大的激光器、高效扫描镜单元、高通量光纤、更好的薄膜介电涂层和具有降低噪声特性的探测器。再加上 20 世纪 90 年代末出现的快速发展的计算机处理速度、增强的显示技术和大容量存储技术，共聚焦显微镜的应用数量呈爆炸式增长。

 

 

显微镜历史时间线

 

 

共聚焦显微镜比传统的宽视野光学显微镜有几个优势，包括能够控制景深、消除或减少远离焦平面的背景信息（这会导致图像质量下降）以及能够从厚样本中收集连续光学切片。共聚焦方法的基本关键是使用空间滤波技术来消除厚度超过焦平面的样本中的失焦光或眩光。

 

Part.02

 共聚焦显微镜工作原理

在传统的宽视野落射荧光显微镜中，整个标本受到非相干汞或氙弧放电灯的强烈照射，产生的二次荧光发射图像可以直接在目镜中查看，也可以投射到电子阵列检测器或传统胶片平面的表面上。与这个简单的概念相反，共聚焦显微镜中的成像机制根本不同。

光源发射的探测光经照明针孔，经由分光镜反射至物镜，并聚焦于焦平面上的样品上，对样品焦平面每一个点进行扫描。样品中如果有可被激发的荧光物质，受到激发后发出的荧光经原来入射光路直接反向回到分光镜，通过探测针孔先聚焦，聚焦后的光被光电倍增管（PMT）探测收集，并将信号输送到计算机，处理后在计算机显示器上显示图像。

 

 

在对比宽视野显微镜和共聚焦显微镜之间的相似点和不同点时，比较每种技术所采用的标本照明的特性和几何形状通常很有用。传统的宽视野落射荧光显微镜物镜将宽照明锥聚焦在大量标本上，标本被均匀且同时照亮（如下图左侧所示）。物镜收集了大部分反射回显微镜的荧光发射（取决于数值孔径）并投射到目镜或检测器中。由于发射的背景光和来自焦平面上方和下方区域的自发荧光，结果会产生大量信号，从而严重降低分辨率和图像对比度。

 

 

共聚焦显微镜中的激光照明源首先扩展以填充物镜后孔径，然后由透镜系统聚焦到焦平面上的一个非常小的光斑（如上图右侧所示）。照明点的大小范围为直径约为 0.25 至 0.8 微米（取决于物镜数值孔径），最亮强度下的深度为 0.5 至 1.5 微米。共聚焦光斑大小由显微镜设计、入射激光波长、物镜特性、扫描单元设置和标本决定。上图显示了相同数值孔径下宽视野和点扫描共聚焦显微镜的典型照明锥体的比较。宽视野显微镜可以照亮标本大面积的整个深度，而共聚焦显微镜则用以焦平面为中心的精细聚焦的照明光斑扫描样品。

现代共聚焦显微镜可以看作是一个完全集成的电子系统，其中光学显微镜在由一个或多个电子探测器、一台计算机（用于图像显示、处理、输出和存储）以及多个激光系统（结合波长选择装置和光束扫描组件）组成的配置中起着核心作用。在大多数情况下，各个组件之间的集成非常彻底，因此整个共聚焦显微镜通常统称为能够产生电子图像的数字或视频成像系统。

 

ME-PT3000

 美能光子湾3D共聚焦显微镜

 

 

美能光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

 

• 超宽视野范围，高精细彩色图像观察

 

• 提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析功能

 

• 采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

 

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

共聚焦显微镜技术的发展，不仅为科研人员提供了一个强大的研究工具，也为工业应用中的精密制造和质量控制提供了新的解决方案。美能光子湾3D共聚焦显微镜，以其先进的技术和可靠的性能，正在成为推动科学发现和技术创新的关键设备。随着技术的不断优化和应用领域的拓展，我们期待共聚焦显微镜技术在未来能够揭示更多微观世界的奥秘，为人类对自然界的认知带来革命性的变化。

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