超景深顯微鏡是一種通過特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)與圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡景深的顯微成像系統(tǒng)。其核心目標(biāo)是克服高倍率下景深過淺的限制，在單次成像中獲得樣品不同高度層次的清晰圖像，適用于觀察表面起伏較大的樣品。 一、工作原理
超景深顯微鏡的工作原理主要基于光學(xué)系統(tǒng)的特殊設(shè)計(jì)與后續(xù)的數(shù)字圖像融合處理，并非單一技術(shù)。目前主流實(shí)現(xiàn)方式分為光學(xué)方法和計(jì)算方法，或兩者結(jié)合。
光學(xué)方法擴(kuò)展焦深：其核心在于改造顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)，在不明顯降低分辨率的前提下，主動(dòng)增大光學(xué)系統(tǒng)的焦深。一種常見技術(shù)是波前編碼。在顯微鏡光路中的孔徑光闌位置，插入一塊特殊設(shè)計(jì)的相位板。該相位板對(duì)通過的光波波前進(jìn)行調(diào)制，使系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)在較大離焦范圍內(nèi)保持穩(wěn)定且已知。經(jīng)調(diào)制后，探測(cè)器獲取的初始圖像呈現(xiàn)均勻的模糊狀態(tài)，但其中包含了不同深度層面的信息。隨后，通過專用的數(shù)字復(fù)原算法（反卷積處理），利用已知的光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)模糊圖像進(jìn)行解碼，重建出不同焦面的清晰圖像，并合成為一幅整體清晰的擴(kuò)展景深圖像。
計(jì)算合成方法擴(kuò)展景深：此方法不改變核心光學(xué)系統(tǒng)，而是通過控制與圖像處理實(shí)現(xiàn)。典型的是焦點(diǎn)堆疊法。系統(tǒng)通過高精度壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器控制載物臺(tái)或物鏡，沿光軸方向進(jìn)行等步距的序列掃描，自動(dòng)采集樣品不同焦平面的一系列二維圖像。隨后，通過專門的景深合成算法，對(duì)圖像序列中的每一像素進(jìn)行分析，選取該像素在序列中清晰的灰度值（基于對(duì)比度、頻率等評(píng)價(jià)函數(shù)）。將所有像素的值組合成一幅從頂部到底部所有層面均清晰的合成圖像，其景深范圍為掃描的整個(gè)軸向距離。
二、關(guān)鍵技術(shù)解析
擴(kuò)展焦深光學(xué)設(shè)計(jì)：對(duì)于光學(xué)方法，關(guān)鍵是特殊相位板的設(shè)計(jì)與制造。相位板表面的微結(jié)構(gòu)需精確加工，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波波前的精確調(diào)制，確保引入的像差是已知、可控且便于后期數(shù)字校正的。這需要精密的光學(xué)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)。
高精度Z軸掃描與控制：對(duì)于焦點(diǎn)堆疊法，需要納米級(jí)精度和穩(wěn)定性的Z軸掃描機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)無振動(dòng)的精確步進(jìn)，并確保采集的圖像序列在XY方向嚴(yán)格對(duì)齊。掃描的步長(zhǎng)需根據(jù)物鏡數(shù)值孔徑、所需合成景深及處理能力進(jìn)行優(yōu)化。
景深合成算法：這是計(jì)算法的核心，也是光學(xué)方法中圖像復(fù)原的關(guān)鍵。算法必須能準(zhǔn)確、可靠地從多幅圖像中判定每一像素的對(duì)焦?fàn)顟B(tài)。算法需具備良好的抗噪能力，并能處理不同材質(zhì)、不同對(duì)比度的樣品。合成過程需高效，避免在圖像拼接處產(chǎn)生偽影或畸變。算法還能在合成后提供樣品的三維高度信息。
圖像處理與系統(tǒng)集成：需要強(qiáng)大的實(shí)時(shí)圖像處理硬件與軟件，以快速處理海量的圖像數(shù)據(jù)，完成對(duì)焦評(píng)價(jià)、圖像選擇、融合與三維重建。系統(tǒng)需將精密機(jī)械控制、圖像采集與處理算法無縫集成，實(shí)現(xiàn)一鍵式自動(dòng)化操作。
超景深顯微鏡通過創(chuàng)新性的光學(xué)設(shè)計(jì)或高精度的機(jī)械掃描結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，有效解決了高倍觀測(cè)下視野深度不足的難題。無論是通過波前編碼光學(xué)系統(tǒng)主動(dòng)調(diào)制，還是通過焦點(diǎn)堆疊計(jì)算合成，其實(shí)現(xiàn)了在單幅圖像中呈現(xiàn)樣品三維形貌的清晰細(xì)節(jié)，提升了顯微觀察的效率與效果，在半導(dǎo)體檢測(cè)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。
更新時(shí)間：2026-02-08
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