大显身手！光谱共焦显微成像技术与应用

华中科技大学杨克成教授课题组依托国家科技部重点研发计划“智能传感器”专项“高精度线光谱共焦传感器研制”，在《激光与光电子学进展》发表题为“光谱共焦显微成像技术与应用”的封面文章。论述了光谱共焦显微成像技术的基本原理以及不同扫描方案，并对其发展历程进行了梳理。针对光学设计、信号模型、数据处理等关键问题，总结了国内外相关研究进展，最后介绍了光谱共焦显微成像技术在生物医学、工业检测等领域的应用案例。

封面解读

封面展示了线扫光谱共焦技术的基本原理，光源经照明镜头成像至待测物表面，反射光被成像镜头接收最终成像至面阵CMOS探测器，探测器采集到被测物的表面剖线。随着样品移动，系统完成对样品的三维形貌特征提取。

文章链接：邵谭彬, 杨克成, 夏珉, 郭文平. 光谱共焦显微成像技术与应用[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(12): 1200001.

背景介绍

对于二元光学、微机电系统等精密器件，以光学检测为代表的非接触式测量能更好地适应此类检测需求。光谱共焦显微成像(CCM)技术利用波长位移编码原理进行深度测量，分辨率更高，并且对表面纹理、倾斜、杂散光等因素不敏感^[1]。另外，CCM无需轴向扫描，具有层析成像的特点。基于这些优点，CCM技术在生物医学成像、精密样品的三维检测以及生产加工的在线监测等方面有着广泛的应用场景。

基本原理

图1展示了光谱共焦系统的基本原理。白光源发出的光经分束器传入色散物镜后，不同波长的光将会聚于光轴的不同位置，其中大部分波长的光处于离焦状态，仅存在特定波长的光聚焦于样品表面上。样品反射光经分束器反射后，大部分聚焦光可以进入探测针孔，而离焦光只有少部分可以通过，并传入光谱仪。最终光谱仪所获取到的光谱信号中，峰值波长即为聚焦于样品表面的光波长。该系统利用波长-位置编码关系，进行位移测量。配合位移台、振镜等设备进行横向扫描，即可获取被测物的三维形貌特征。

图1 光谱共焦显微成像系统原理图

扫描方式

CCM技术按扫描方式，可分为点扫描、线扫描以及面阵成像。其中，点扫描方案起源最早，应用也最成熟，具有高横向和轴向分辨率的特点。图2展示了基于二维振镜的扫描方案^[2]。 

图2 光束扫描光谱共聚焦显微镜结构图^[2]

线扫描方案将扫描速度进一步提升，图3展示了双轴式线扫光谱共焦显微镜结构图。双轴式的结构使得分辨率、SNR、光通量等性能参数相比传统结构有所提升^[3]，并且降低了横向分辨率对光学设计的要求^[4]。

图3 双轴式线扫光谱共焦显微镜结构图^[5]

面阵探测方案进一步提升CCM技术的成像速度，图4为基于针孔阵列的光谱共焦面阵探测方案。然而光能利用率低、严重的串扰问题是限制其应用的两个方面。

图4 快照式光谱共焦面传感器原理图^[6]

技术难点

1.色散物镜设计

针对色散物镜设计，国内外学者围绕着大色散范围、高色散线性度、高成像质量的目标进行了大量研究。主流设计方案包括使用折射透镜、衍射透镜以及折衍混合透镜。图5展示了一种基于菲涅耳波带片的色散物镜以及光谱共焦系统结构。

图5 CCM原理图及实验样机^[7]。(a) 菲涅耳波带片的负色散现象示意图;(b)实验样机

2. 信号模型

光谱信号的品质(FWHM、SNR等参数)会直接影响光谱数据处理的难度，最终影响CCM系统的测量性能。CCM光谱信号由系统的光学设计参数决定，包括照明小孔和探测小孔的尺寸、镜头光瞳直径、镜头的色散焦移特性和像差表现。

3. 光谱信号处理

CCM系统所探测的光谱数据需要经过去除暗信号、光谱归一化处理、去除随机噪声、峰值波长提取、标定曲线拟合与插值才能得到最终的位置信息。关于CCM数据处理的研究，主要集中在光谱归一化处理、峰值波长提取这两个方面。图6展示了一种自参考色散校正的光谱特性归一化方法。

图6 通过预扫描的自参考校正策略^[8]

4. 虚拟针孔技术

虚拟针孔技术可以减少离焦光，从而提高CCM的轴向分辨率。具体做法是对探测器中选定的像素探测到的光强进行数值积分，从而对针孔信号进行估计。图7展示了基于虚拟狭缝的探测原理。

图7 (a)物理狭缝和(b)虚拟狭缝探测示意图^[9]

5. 信号串扰处理

串扰问题主要由光的衍射引起，它会降低光谱分析系统的光学分辨率，从而引起CCM系统的轴向分辨率下降。针对如何减小CCM系统串扰，不少学者分别从光纤芯径、扫描方案、反卷积算法等方面展开了研究。图8展示了反卷积处理前后的光谱信号对比。

图8 基于反卷积算法的信号串扰解决方案^[10]

应用场景

光谱共焦显微成像技术(CCM)是一种高分辨、非侵入、高信噪比、高速测量的层析成像技术，在生物医学成像、光学厚度测量、表面形貌测量、生产加工在线监测等领域被广泛地研究和应用。

图9 (a)猪颊粘膜的CCM图像；(b)共聚焦显微镜的相同组织图像^[11]

图10 薄膜的三维形貌测量结果^[12]

图11 集成于激光加工头的光谱共焦位移传感器^[13]

总结和展望

CCM技术发展至今，凭借高分辨率、大成像深度、高速处理、无损检测等优势逐步在生物医学成像、三维形貌检测、生产加工在线监测等领域得到应用。未来，CCM技术仍具有广阔的发展空间。

研制光谱稳定性更强的光源和噪声水平更低的探测器，是提高CCM系统精度的一个重要研究方向。其次，开发更准确的寻峰算法也是提升测量精度的关键途径。在已有的三维成像方案中，点扫描、线扫描、面阵探测均已出现了商用传感器，由于离轴像差以及横向串扰的影响，线扫描与面阵探测系统的横向分辨率往往不如点式系统，针对大视场系统的光学设计以及串扰的解决方案，是CCM实现大视场实时成像的关键研究内容。另外，通过引入偏振信息以及结合干涉测量技术，有望抑制光源光谱不稳定性带来的噪声，可以为CCM技术带来创新。

参考文献：

[1] BAI J, LI X, ZHOU Q, et al. Improved chromatic confocal displacement-sensor based on a spatial-bandpass-filter and an X-shaped fiber-coupler [J]. Opt Express, 2019, 27(8): 10961-73.

[2] CHUN B S, KIM K, GWEON D. Three-dimensional surface profile measurement using a beam scanning chromatic confocal microscope [J]. Review of Scientific Instruments, 2009, 80(7): 073706.

[3] WANG T D, MANDELLA M J, CONTAG C H, et al. Dual-axis confocal microscope for high-resolution in vivo imaging [J]. Opt Lett, 2003, 28(6): 414-6.

[4] NIEMELä K. Chromatic line confocal technology in high-speed 3D surface-imaging applications; proceedings of the SPIE OPTO, F, 2019 [C]. SPIE.

[5] TAPHANEL M, ZINK R, LäNGLE T, et al. Multiplex acquisition approach for high speed 3D measurements with a chromatic confocal microscope; proceedings of the SPIE Optical Metrology, F, 2015 [C]. SPIE.

[6] HILLENBRAND M, GREWE A, BICHRA M, et al. Parallelized chromatic confocal sensor systems; proceedings of the SPIE Optical Metrology 2013, F, 2013 [C]. SPIE.

[7] LIU T, WANG J, LIU Q, et al. Chromatic confocal measurement method using a phase Fresnel zone plate [J]. Opt Express, 2022, 30(2): 2390-401.

[8] BAI J, LI X, WANG X, et al. Self-reference dispersion correction for chromatic confocal displacement measurement [J]. Optics and Lasers in Engineering, 2021, 140:

[9] 张志强. 光谱共焦线扫描测量方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2021: 17-9.

ZHANG Z Q. Research on The Measurement Method of Line-scan Chromatic Confocal Microscopy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2021: 17-9.

[10] CHEN L-C, LIN T-Y, CHANG Y-W, et al. Chromatic confocal surface profilometry employing signal recovering methodology for simultaneously resolving lateral and axial cross talk problems; proceedings of the International Symposium on Precision Engineering Measurement and Instrumentation 2012, F, 2013 [C]. SPIE.

[11] OLSOVSKY C, SHELTON R, CARRASCO-ZEVALLOS O, et al. Chromatic confocal microscopy for multi-depth imaging of epithelial tissue [J]. Biomed Opt Express, 2013, 4(5): 732-40.

[12] BAI J, LI J, WANG X, et al. A new method to measure spectral reflectance and film thickness using a modified chromatic confocal sensor [J]. Optics and Lasers in Engineering, 2022, 154: 107019.

[13] ZAKRZEWSKI A, KORUBA P, ĆWIKŁA M, et al. The determination of the measurement beam source in a chromatic confocal displacement sensor integrated with an optical laser head [J]. Optics & Laser Technology, 2022, 153: 108268.

课题组介绍

华中科技大学光学与电子信息学院杨克成教授团队主要从事光电系统设计，光电检测，机器视觉等领域的研究。团队承担和完成了多项国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家重大科学仪器专项、“973”项目、航天基金及企业合作项目。

近年来，该团队在低相干干涉测量领域取得突破，低相干干涉测量技术作为一种非接触、原位测量手段能够广泛应用于第三代半导体工艺的膜厚测量、表面形貌测量等各种领域，基于该项目开发的工程样机正在集成电路、泛半导体制造厂商进行现场测试。研发团队拥有授权发明专利33项，曾获得2019年湖北省科技进步二等奖。