基于数字微镜器件的共焦显微镜的设计与实验

　　1 引 言

　　共焦显微技术不仅分辨率高，而且具有独特的三维成像能力，近年来得国内外的普遍关注[1-4]。早期的共焦显微镜通过移动样品的方法进行扫描，即通过步进电机带动扫描台上的样品进行横向和纵向的二维扫描。这样的扫描方式不仅速度很低、系统庞大，而且步进电机的振动会带来噪声。扫描振镜通过操控两个可以转动的反射镜对光束进行反射偏折，从而实现横向的二维扫描。其缺点为: 扫描速度比较低，操控扫描头运动的机械控制复杂，自身转动所引起的振动将导致一定的测量误差。随着共焦技术的发展，出现了多点并行扫描的共焦检测技术，大大提高了扫描速度。现有的多点并行探测技术主要有: Nipkow 盘法[5]，微透镜阵列法[6-7]。Nipkow 盘法能大幅度提高扫描速度，但是其光能利用率较低，而且 Nip-kow 盘转动会影响系统的稳定性和精度。微透镜阵列法是目前采用较多的一种方法，其光能利用率相对于 Nip-kow 盘有大幅度提高，但是微透镜本身的制作工艺比较复杂，透镜焦距的一致性难以严格控制[8]。无论 Niplow盘还是微透镜阵列，在它们制作好之后，其光学参数便难以改变，这就意味着基于这两种扫描方式的共焦检测系统较难改变测量参数( 测量速度、分辨率等) 。

　　近年来国外出现了一种采用数字微镜器件( DMD)的并行共焦检测系统[9-11]。DMD 用作空间光调制器，把光源分割成多束，形成多路并行检测的工作模式[12]。这样的多路并行扫描方式不仅大大提高扫描效率，还有较高的光能利用率，并且无机械振动影响，提高了系统的稳定性[13]。因此 DMD 有可能成为继 Nipkow 盘、微透镜阵列的新型横向扫描方式，但国内极少有此方面的研究和报道。

　　本文在验证了典型的多点并行检测光路存在双重成像问题的基础上，分析了其产生的原因，并且采用分光板代替分光棱镜的方法解决了双重成像干扰问题。实验结果显示了两种分光器件应用于共焦显微光路的差异。研制出了基于 DMD 的共焦显微镜样机。此外，还进行了对样机的实际测量实验。

　　2 基于数字微镜器件的多路并行扫描共焦检测系统

　　2. 1 数字微镜器件( DMD) 介绍

　　DMD 是美国德州仪器公司( TI) 于 1987 年开发的一种微机电系统。其制造工艺与传统 CMOS 产品类似。每一片 XGA( extended graphics array) 格式的 DMD 芯片上都集成了近百万片微反射镜，镜面为高反射率的铝合金材料。0.7″的 DMD 芯片集成了 1024 ×768 个微镜，单个微镜的边长为 13.68 μm，相邻微镜间有 1 μm 的间隔，保证了 DMD 芯片有着高达 89% 的填充因数，使得光能得到充分地利用。反射镜被固定在隐藏的轭上，扭转铰链连接轭和支柱，扭力铰链允许镜片旋转 ± 12 度( 如图 1所示) 。