激光共聚焦系统指南
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激光显微系统工作原理 (1)
共聚焦原理
激光显微镜采用由光源、光接收元件、物镜、单向透镜和针孔构成的特殊光学系统，捕捉样品表面 的高度信息和彩色图像。 光源发出的光通过物镜在样品上聚焦。光在样品表面发生反射，沿原路径返回光源。返回光被单向 透镜偏转 90 度，在针孔表面上集中。 如果集中的光穿过针孔到达光接收元件，激光显微镜检测样品是否定位在焦距上（聚焦距离）。 （参看左下图“聚焦情况”。） 如果样品位于散焦距离上，反射光不能穿过针孔，光接收元件无法检测光。 （参看右下图“散焦情况”。） 激光显微镜根据到达光接收元件的反射光的强度，检测样品是否定位在焦点位置。 如上所述，光学系统由针孔和光接收元件组成，二者的距离为物镜焦距，这种光学系统叫做“共聚 焦光学系统”，这种检测原理叫做“共聚焦原理”。
声光介质 高频信号
压电元件 透镜
3. NIPKOW 转盘方法
配置此扫描仪旋转一个转盘，转盘按螺旋模式排列了一系列或
多个系列针孔，可以在采样面上扫描多个光点。
光源
优点 ： 图像质量相对高。 缺点 ： 光使用效率低，很难观测反射小的样品。
Nipkow 转盘
光接收元件
透镜
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激光显微系统类型
激光源
1. 气体激光器
电极
P-N 结表面
输出 N 包覆
2. CCD（电荷耦合器件）
CCD 有两种配置：一维和两维。对于 2D CCD，成 像区的小光电二极管按水平和垂直阵列排列，每个 光电二极管有一个半球形微型透镜。每个光电二极 管驱动光穿过微型透镜，随着光强度增大而累积电 荷。在电荷累积一定时间之后，把电荷传递到输出 端口，把它转换成电压输出。3激光显微系统的特性 (2)
比较 — 扫描电子显微镜 (SEM)
电子显微镜
激光显微系统
与电子显微镜一样，激光显微镜也有下列特性： S 可以用大景深捕捉放大图像。 S 放大倍数范围大。
除了这些相似处，激光显微镜与电子显微镜相比有下列几个优点：
S 支持用高放大倍数进行彩色观测。 S 可以测量形状并捕捉不规则表面（数值）。
对充气（例如氦氖气和氩气）玻璃管施加高电压，让气体放电，从气体状态变成等离子状态。在 此状态下，气体激光振荡器让光在玻璃管两端的镜面上反射很多次来放大光（电磁波），从而产 生相干光。
优点 ： 可以构成大功率激光器。
缺点 ： 激光器输出所需的稳定时间较长。不能频繁开关。
激励
反射镜
介质 反射镜（可透射）
微型透镜形状
彩色 CCD（激光显微镜和光学显微镜）
3. 光电倍增器 (PMT)
光电倍增器采用当光照射金属时，金属会发射光电 子这一现象。它由一个阴极、多个倍增电极和一个 用于收集次级电子的电极构成。这些电极密封在真 空玻璃管里。当光照射阴极上的光电子表面时，在 玻璃管内部发射光电子。发射电子经过 6 到 20 个 倍增电极放大后到达阳极。阳极根据光强度生成 电流。
激光显微系统结构 (1) 激光源发射的光束穿过 X-Y 扫描光学系统和覆盖在样品表面的光栅。
(2) 激光接收元件检测共聚焦光学系统聚焦位置的反射光强度信息。
(3) 在 Z 轴方向上累计聚焦位置信息，得到一副全聚焦图像。
(4) 同时记录物镜聚焦位置，以便测量表面 3D 形状。
激光源 针孔
激光接收元件
彩色 CCD 相机 X-Y 扫描光学系统
照明光源
（Z 轴运动机构）
样品 7
激光显微系统类型
扫描方法
激光扫描显微系统种类很多，每种显微系统采用不同的扫描技术。本节介绍这些系统的基本部件特性， 尤其是扫描仪、激光源和光接收元件。
1. GALVANO 扫描方法
Galvano 扫描仪在伺服电机边缘配有一个反射镜来反射激光束， 并通过控制反射镜角度方式来扫描 X 轴方向和 Y 轴方向的激光。
VK-9700 集光学显微镜、SEM 和粗糙度测量仪于一身，很方便
VK-9700/ 光学显微镜 /SEM/ 粗糙度计比较
光学 显微镜
SEM
粗糙度计
激光扫描 显微系统 VK-9700
不处理
好
不好
好
好
高清晰度
不好
好
不好
好
超深度检查
光学显微镜 便捷
色彩检查
好
不好
不好
好
SEM 分辨率高，景深大
粗糙度计 表面测量
聚焦情况
光源
半透半反镜 针孔 光接收元件
物镜
样品
散焦情况
光源
半透半反镜 针孔 光接收元件
物镜
样品
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激光显微系统工作原理 (2)
工作原理
激光显微系统根据共聚焦原理检测样品高度信息。但由于它通常采用点光源，观测视场内的区域分 成多个 1024 x 768 点（像素）。然后通过 X-Y 扫描光学系统对它进行扫描，光接收元件检测来自每 个点的反射光。在 Z 轴方向驱动物镜，重复扫描过程，在每个点的 Z 轴位置上获得反射光强度。系 统假设 Z 轴焦点位置位于反射光强度最大的地方，然后记录高度信息和反射光强度。采用这种方法 可以捕捉全聚焦光强度图像和高度信息。
* 部分 SEM 也可以测量形状。
S 观测不需求高真空和导电样品。 S 操作相对简单，不需要大量定期维护。
另一方面，电子显微镜与激光显微镜相比有下列几个优点：
S 在用高放大倍数进行观测时分辨率较高（可辨别两点之间的最小距离）。 S 可以从各个面观测 3D 样品。在从上面成像时，
光学显微镜和常规激光显微镜不能观测样品侧面。 S 可以执行元素分析。
入射光
倍增电极
阴极
阳极
光电倍增器结构
10
实现 1 纳米解析度的表面解析标准
新型 彩色 3D 激光扫描显微系统 VK-9700 Generation II
y 实现 Z 轴 1 纳米解析度。高精度 3 维测量 y 彩色高清晰度。最大可以观察 18000 倍 y 卓越的操作性。新开发 AAG 功能 y 实现广视角测量的「新图像连结」功能 y 可以进行宽度、高度、粗细、体积等各种 3 维测量 y 不受被观察物体大小限制的工作头分离结构
优点 ： 图像质量好。 缺点 ： 扫描速度慢。
扫描仪
透镜
扫描仪
2. 声光元件 (AOD) 方法
声光元件在声光介质上附加玻璃制成的压电元件，给压电元件 提供电信号生成超声波。这样，激光束分散通过介质，形成光 反射。
优点 ： 扫描速度快。 缺点 ： 图像容易失真。
由于在一边发光，无法构成完善的共聚焦光学系统。
3D 测量
不好
好
可能
好
* 与常用的光学显微镜、SEM 和粗糙度计比较。
彩色 3D 激光扫描显微系统
2
激光显微系统的特性 (1)
比较 — 光学显微镜
光学显微镜
激光显微系统
就下列几个方面而言，激光显微系统的适用性与光学显微镜相同： S 支持在室温空气中放大观测。 S 在观测之前不需要预处理。
但是，它与光学显微镜相比有下列几个优点：
激活层 N 型包覆层 剖面
3. 高强度灯 用高强度水银灯或氙气灯作为光源。
优点 ： 成本低。 可以选择某个特定波长的光。
缺点 ： 分辨率有限。
电极
电极
切开部分
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激光显微系统类型
光接收元件
光电二极管和 CCD 常用作激光显微镜的光接收元件。但最近采用光电倍增管 (PMT) 提高灵敏度。
1. 光电二极管
世界首创“高倍率但大视野”数码显微系统
新型 超景深三维显微系统 VHX-1000
y 摄影范围扩大 50 倍的实时图像连接功能 y 16bit 色阶高动态光照渲染功能 y 5400 万像素 3CCD 轻便照相机 y 仅需 2 步即可实现深度合成 &3D 显示功能 y 业界首创、镜头· 倍率自动识别功能 y“ 观察”“记录”“测量”的一体化设置
2. 半导体激光器
给半导体 p-n 结施加正偏置电压（p 型 = 正，n 型 = 负）， 把电子注入 p 型半导体，把空穴注入 n 型半导体。当电子 金属触点 和空穴通过 p-n 结时，重新结合。半导体激光器采用特殊设计， 使用这种重新结合产生的光。
优点 ： 体积小。很容易控制开关。
P 型包覆层 剖面 条带区
光电二极管由 p 型半导体和 n 型半导体组成的一个 p-n 结构成。当光照射在 p-n 结表面时，p-n 结吸收 光能，产生大量电子空穴对。p 型半导体产生的电 子向 n 型半导体运动，而 n 型半导体产生的空穴向 p 型半导体运动，触发光电流从 p 电极流向 n 电极。
抗反射膜 P 包覆
电极 光
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激光显微系统的特性 (3)
比较 — 表面粗糙度计
标准粗糙度样品测量示例 (Ra = 0.42 µm) 激光显微镜和表面粗糙度计具有下列相同特性：
S 可以捕捉并量化样品不规则表面。 此外，激光显微镜与表面粗糙度计相比有下列几个优点：
S 非接触式测量不损伤样品表面。 S 不需要更换探头。 S 甚至可以测量粘弹性样品。 S 实现微小测量光点来进行定位和测量。 S 可以测量小凹槽（表面粗糙度测量仪不能测量比探头半径小的凹槽）。 另一方面，表面粗糙度计与激光显微镜相比有下列优点： S 可以测量长距离。
激光共聚焦 显微系统指南
解释激光扫描显微系统的基本原理和特性
通俗易懂
什么是激光显微系统？
激光显微系统把激光器和光学显微镜组合在一起，呈现高分辨率图像，Z 轴测量数据达到纳米级。 这些系统通常叫做“激光扫描系统”，但也简称为“LSM”(laser scanning microscope) 或 “LSCM”(laser scanning confocal microscope)。激光显微系统是可同时采用大景深和 3D 测量法进 行观测的成像和测量设备。 它对要观测的样品的大小和材料没有限制，适合进行非破坏性观测，类似光学显微镜。 由于无需预先制备样品，所以可以精确分析目标的状态，可以精确再现色彩。还可以观测透明物体， 包括薄膜表面、薄膜内部或背部，并测量薄膜厚度。 激光显微系统的明显特点是能完成原本要用三台独立设备完成的任务 — 光学显微镜、扫描电子显微 镜和表面粗糙度计。 本节概述激光扫描显微系统，先介绍它的基本特性，然后介绍工作原理。我们希望下列内容对你很有 用。
激光显微系统工作原理 (1)
共聚焦原理
激光显微镜采用由光源、光接收元件、物镜、单向透镜和针孔构成的特殊光学系统，捕捉样品表面 的高度信息和彩色图像。 光源发出的光通过物镜在样品上聚焦。光在样品表面发生反射，沿原路径返回光源。返回光被单向 透镜偏转 90 度，在针孔表面上集中。 如果集中的光穿过针孔到达光接收元件，激光显微镜检测样品是否定位在焦距上（聚焦距离）。 （参看左下图“聚焦情况”。） 如果样品位于散焦距离上，反射光不能穿过针孔，光接收元件无法检测光。 （参看右下图“散焦情况”。） 激光显微镜根据到达光接收元件的反射光的强度，检测样品是否定位在焦点位置。 如上所述，光学系统由针孔和光接收元件组成，二者的距离为物镜焦距，这种光学系统叫做“共聚 焦光学系统”，这种检测原理叫做“共聚焦原理”。
声光介质 高频信号
压电元件 透镜
3. NIPKOW 转盘方法
配置此扫描仪旋转一个转盘，转盘按螺旋模式排列了一系列或
多个系列针孔，可以在采样面上扫描多个光点。
光源
优点 ： 图像质量相对高。 缺点 ： 光使用效率低，很难观测反射小的样品。
Nipkow 转盘
光接收元件
透镜
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激光显微系统类型
激光源
1. 气体激光器
电极
P-N 结表面
输出 N 包覆
2. CCD（电荷耦合器件）
CCD 有两种配置：一维和两维。对于 2D CCD，成 像区的小光电二极管按水平和垂直阵列排列，每个 光电二极管有一个半球形微型透镜。每个光电二极 管驱动光穿过微型透镜，随着光强度增大而累积电 荷。在电荷累积一定时间之后，把电荷传递到输出 端口，把它转换成电压输出。3激光显微系统的特性 (2)
比较 — 扫描电子显微镜 (SEM)
电子显微镜
激光显微系统
与电子显微镜一样，激光显微镜也有下列特性： S 可以用大景深捕捉放大图像。 S 放大倍数范围大。
除了这些相似处，激光显微镜与电子显微镜相比有下列几个优点：
S 支持用高放大倍数进行彩色观测。 S 可以测量形状并捕捉不规则表面（数值）。
对充气（例如氦氖气和氩气）玻璃管施加高电压，让气体放电，从气体状态变成等离子状态。在 此状态下，气体激光振荡器让光在玻璃管两端的镜面上反射很多次来放大光（电磁波），从而产 生相干光。
优点 ： 可以构成大功率激光器。
缺点 ： 激光器输出所需的稳定时间较长。不能频繁开关。
激励
反射镜
介质 反射镜（可透射）
微型透镜形状
彩色 CCD（激光显微镜和光学显微镜）
3. 光电倍增器 (PMT)
光电倍增器采用当光照射金属时，金属会发射光电 子这一现象。它由一个阴极、多个倍增电极和一个 用于收集次级电子的电极构成。这些电极密封在真 空玻璃管里。当光照射阴极上的光电子表面时，在 玻璃管内部发射光电子。发射电子经过 6 到 20 个 倍增电极放大后到达阳极。阳极根据光强度生成 电流。
激光显微系统结构 (1) 激光源发射的光束穿过 X-Y 扫描光学系统和覆盖在样品表面的光栅。
(2) 激光接收元件检测共聚焦光学系统聚焦位置的反射光强度信息。
(3) 在 Z 轴方向上累计聚焦位置信息，得到一副全聚焦图像。
(4) 同时记录物镜聚焦位置，以便测量表面 3D 形状。
激光源 针孔
激光接收元件
彩色 CCD 相机 X-Y 扫描光学系统
照明光源
（Z 轴运动机构）
样品 7
激光显微系统类型
扫描方法
激光扫描显微系统种类很多，每种显微系统采用不同的扫描技术。本节介绍这些系统的基本部件特性， 尤其是扫描仪、激光源和光接收元件。
1. GALVANO 扫描方法
Galvano 扫描仪在伺服电机边缘配有一个反射镜来反射激光束， 并通过控制反射镜角度方式来扫描 X 轴方向和 Y 轴方向的激光。
VK-9700 集光学显微镜、SEM 和粗糙度测量仪于一身，很方便
VK-9700/ 光学显微镜 /SEM/ 粗糙度计比较
光学 显微镜
SEM
粗糙度计
激光扫描 显微系统 VK-9700
不处理
好
不好
好
好
高清晰度
不好
好
不好
好
超深度检查
光学显微镜 便捷
色彩检查
好
不好
不好
好
SEM 分辨率高，景深大
粗糙度计 表面测量
聚焦情况
光源
半透半反镜 针孔 光接收元件
物镜
样品
散焦情况
光源
半透半反镜 针孔 光接收元件
物镜
样品
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激光显微系统工作原理 (2)
工作原理
激光显微系统根据共聚焦原理检测样品高度信息。但由于它通常采用点光源，观测视场内的区域分 成多个 1024 x 768 点（像素）。然后通过 X-Y 扫描光学系统对它进行扫描，光接收元件检测来自每 个点的反射光。在 Z 轴方向驱动物镜，重复扫描过程，在每个点的 Z 轴位置上获得反射光强度。系 统假设 Z 轴焦点位置位于反射光强度最大的地方，然后记录高度信息和反射光强度。采用这种方法 可以捕捉全聚焦光强度图像和高度信息。
* 部分 SEM 也可以测量形状。
S 观测不需求高真空和导电样品。 S 操作相对简单，不需要大量定期维护。
另一方面，电子显微镜与激光显微镜相比有下列几个优点：
S 在用高放大倍数进行观测时分辨率较高（可辨别两点之间的最小距离）。 S 可以从各个面观测 3D 样品。在从上面成像时，
光学显微镜和常规激光显微镜不能观测样品侧面。 S 可以执行元素分析。
入射光
倍增电极
阴极
阳极
光电倍增器结构
10
实现 1 纳米解析度的表面解析标准
新型 彩色 3D 激光扫描显微系统 VK-9700 Generation II
y 实现 Z 轴 1 纳米解析度。高精度 3 维测量 y 彩色高清晰度。最大可以观察 18000 倍 y 卓越的操作性。新开发 AAG 功能 y 实现广视角测量的「新图像连结」功能 y 可以进行宽度、高度、粗细、体积等各种 3 维测量 y 不受被观察物体大小限制的工作头分离结构
优点 ： 图像质量好。 缺点 ： 扫描速度慢。
扫描仪
透镜
扫描仪
2. 声光元件 (AOD) 方法
声光元件在声光介质上附加玻璃制成的压电元件，给压电元件 提供电信号生成超声波。这样，激光束分散通过介质，形成光 反射。
优点 ： 扫描速度快。 缺点 ： 图像容易失真。
由于在一边发光，无法构成完善的共聚焦光学系统。
3D 测量
不好
好
可能
好
* 与常用的光学显微镜、SEM 和粗糙度计比较。
彩色 3D 激光扫描显微系统
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激光显微系统的特性 (1)
比较 — 光学显微镜
光学显微镜
激光显微系统
就下列几个方面而言，激光显微系统的适用性与光学显微镜相同： S 支持在室温空气中放大观测。 S 在观测之前不需要预处理。
但是，它与光学显微镜相比有下列几个优点：
激活层 N 型包覆层 剖面
3. 高强度灯 用高强度水银灯或氙气灯作为光源。
优点 ： 成本低。 可以选择某个特定波长的光。
缺点 ： 分辨率有限。
电极
电极
切开部分
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激光显微系统类型
光接收元件
光电二极管和 CCD 常用作激光显微镜的光接收元件。但最近采用光电倍增管 (PMT) 提高灵敏度。
1. 光电二极管
世界首创“高倍率但大视野”数码显微系统
新型 超景深三维显微系统 VHX-1000
y 摄影范围扩大 50 倍的实时图像连接功能 y 16bit 色阶高动态光照渲染功能 y 5400 万像素 3CCD 轻便照相机 y 仅需 2 步即可实现深度合成 &3D 显示功能 y 业界首创、镜头· 倍率自动识别功能 y“ 观察”“记录”“测量”的一体化设置
2. 半导体激光器
给半导体 p-n 结施加正偏置电压（p 型 = 正，n 型 = 负）， 把电子注入 p 型半导体，把空穴注入 n 型半导体。当电子 金属触点 和空穴通过 p-n 结时，重新结合。半导体激光器采用特殊设计， 使用这种重新结合产生的光。
优点 ： 体积小。很容易控制开关。
P 型包覆层 剖面 条带区
光电二极管由 p 型半导体和 n 型半导体组成的一个 p-n 结构成。当光照射在 p-n 结表面时，p-n 结吸收 光能，产生大量电子空穴对。p 型半导体产生的电 子向 n 型半导体运动，而 n 型半导体产生的空穴向 p 型半导体运动，触发光电流从 p 电极流向 n 电极。
抗反射膜 P 包覆
电极 光
4
激光显微系统的特性 (3)
比较 — 表面粗糙度计
标准粗糙度样品测量示例 (Ra = 0.42 µm) 激光显微镜和表面粗糙度计具有下列相同特性：
S 可以捕捉并量化样品不规则表面。 此外，激光显微镜与表面粗糙度计相比有下列几个优点：
S 非接触式测量不损伤样品表面。 S 不需要更换探头。 S 甚至可以测量粘弹性样品。 S 实现微小测量光点来进行定位和测量。 S 可以测量小凹槽（表面粗糙度测量仪不能测量比探头半径小的凹槽）。 另一方面，表面粗糙度计与激光显微镜相比有下列优点： S 可以测量长距离。
激光共聚焦 显微系统指南
解释激光扫描显微系统的基本原理和特性
通俗易懂
什么是激光显微系统？
激光显微系统把激光器和光学显微镜组合在一起，呈现高分辨率图像，Z 轴测量数据达到纳米级。 这些系统通常叫做“激光扫描系统”，但也简称为“LSM”(laser scanning microscope) 或 “LSCM”(laser scanning confocal microscope)。激光显微系统是可同时采用大景深和 3D 测量法进 行观测的成像和测量设备。 它对要观测的样品的大小和材料没有限制，适合进行非破坏性观测，类似光学显微镜。 由于无需预先制备样品，所以可以精确分析目标的状态，可以精确再现色彩。还可以观测透明物体， 包括薄膜表面、薄膜内部或背部，并测量薄膜厚度。 激光显微系统的明显特点是能完成原本要用三台独立设备完成的任务 — 光学显微镜、扫描电子显微 镜和表面粗糙度计。 本节概述激光扫描显微系统，先介绍它的基本特性，然后介绍工作原理。我们希望下列内容对你很有 用。
