基于共焦显微条件下线结构光共焦显微术的研究

　　共焦显微术(Confocal Microscopy)的概念，首先是由美国的Minsky 在 20 世纪 50 年代末提出来的[1]，随后多位学者对共焦成像进行了更细致的研究，但由于激光还没有发明，以及计算机发展水平的制约，直到 20 世纪 70 年代才有真正实用的共焦显微镜问世，20 世纪 80 年代中期才有商品机型出售[4]。

　　1 共焦显微术原理

　　共焦显微术原理图见图 1。从图 1 中可知，点光源发出的光，经物镜后聚焦到物体的表面，由物体反射或透射后，经聚光镜聚焦到探测器。点光源、物体、探测器前的小孔，三者是互相共轭的。由于探测器前面放置了小孔光阑，使得杂散光被大大消除，而且小孔位于聚光镜的焦点处，非物镜焦平面上的光线被挡住，探测器的信噪比得到了大大提高，像面具有很高的对比度和清晰度。该显微术具有获得高分辨率能力，尤其是纵向高分辨率的特点，使得它可以对样品的轴向进行光学层析，从而可以重构出样品的三维图像。它突破了普通光学显微镜衍射极限的限制，横向分辨率是相同数值孔径普通光学显微镜的 2姨倍[1]，而纵向分辨率可以达到亚微米级。尽管共焦显微术可以获得更高的分辨率，但是其不仅成像速度慢，而且需要使用光电增强器对采集光点信号进行增强，导致制造的成本过高，所以除像生物医学[4]、材料科学、微电子制造、精密测量[6]等对成像有特别要求的显微系统外，其他的显微系统很少应用。

　　2005 年，桂林电子科技大学光机电一体化研究所高兴宇、萧泽新以傅立叶光学为理论基础，将薄透镜的傅立叶光学和三维点扩散函数作为出发点，研究点共焦显微术成像原理，对线结构光共焦显微成像机理进行探索，并率先在国内提出了线结构光共焦扫描显微术的理论。尽管线共焦显微术横向分辨率仅能达到或接近传统点共焦显微术的水平，但是该显微术与传统点共焦显微术相比也有两个优势：首先，改点扫描为线扫描，平面成像时仅需要一维扫描，不仅大大提高成像的速度，而且简化了扫描机构;其次，改探测针孔为探测细缝，可大大提高光能的传递量，不需使用光电增强器，而是直接使用低照度CCD 采集图像。

　　2 线结构光共焦显微术的原理

　　根据线共焦显微术的理论，线共焦显微术横向分辨率可以达到或接近传统点共焦显微术的水平，其原理图见图 2。从图 2 可知线共焦显微术与传统点共焦显微术区别在于，改点共焦显微术中探测针孔为探测细缝。可以使得横向杂散光被大大消除，而且细缝位于聚光镜的焦点处,非物镜焦平面上的横向光线被挡住,探测器的信噪比得到了大大提高,像面具有很高的对比度和清晰度。故通过这一改变使线共焦显微术能够很好的弥补传统点共焦显微术的两个缺点：首先改点扫描为线扫描，平面成像时仅需要一维扫描，不仅大大提高成像的速度，而且简化了扫描机构;其次改为探测细缝后，光能的传递量大大提升，不需使用光电增强器，而是直接使用低照度CCD采集图像。