第二章 實驗理論
2.2 差動共焦顯微術
[2.10]、原子力顯微術（Atomic force microscopy, AFM）[2.11]與近場 掃描光學顯微術（Near-field scanning optical microscopy, NSOM）[2.12]
等，同樣都是閉迴路系統，所以對測量及顯像的速度都會造成限制。
為了達到快速測量及顯像的目的，除了更進步的電子技術及快速 精密位移儀器來提高閉迴路的反應速度之外，只有採用開迴路
（Open-loop）的偵測方法。但是要開迴路的偵測系統達到毫微米的 解析度，卻有兩項困難需求：
（1） 在開迴路的操作下，系統對高度的反應必須極為敏感。簡而言 之，系統要能直接、正確放大物體微小高度變化所造成的訊號差，而 不像閉迴路系統，需要依靠回授訊號來換算高度變化。
（2） 系統必須提供足夠的動態範圍（Dynamic range）。由於在開迴 路的偵測系統中並沒有鎖定物體高度的機制，如果沒有足夠的動態範 圍，對表面高度變化量過大的樣本就無法提供正確的測量結果。因為 這兩個主要的條件不容易同時達成，造成開迴路的毫微米解析度量測 技術比較少見。
差動共焦顯微術（Differential confocal microscopy）[2.13]，正是 同時具有高解析度及大動態範圍的開迴路掃描顯微技術。這技術本身 是利用共焦顯微術縱向反應曲線的線性區，來同時達成我們所需要的 要求，如圖 2-2 所標示。
圖 2-2 共焦顯微術的縱向反應曲線及線性區[2.14]
在 1982 年，D. K. Hamilton 與 T. Wilson 發表以共焦顯微術來呈 現物體表面高度的三度空間掃描技術[2.15]，利用共焦顯微術縱向反 應曲線的極大值來定位物體表面高度。簡而言之，因為縱向反應曲線 的極大值在空間中所對應的高度正是聚焦物鏡的焦平面，所以只要在 掃描物體表面的同時，保持表面與聚焦物鏡鏡頭之間的距離與物鏡的 工作距離相等，在掃描的時侯記錄物體或物鏡移動的高度，就可以得 知表面三度空間的高度變化。
由縱向反應曲線可以得知，在縱向反應曲線極大值的附近，曲線 的斜率都接近零，也就是說訊號大小的變化對物體表面高度不敏感，
因此限制了縱向解析度。換句話說，如果將樣本表面移開物鏡的焦平 面，利用縱向反應曲線斜率最大的線性區來偵測訊號的變化，由圖 2-3 可以看出，樣本微小的高度差異就能夠導致訊號產生很大的變 化，因此縱向解析度能夠大幅的提高，達到毫微米的精準度，而在線 性區進行偵測，動態範圍幾乎能夠包涵由 sinc2(u/2)函僂的極大值到 第一零點的距離，亦即由u =0到u =2π 。
圖 2-3 縱向反應曲線線性區訊號變化
共焦反應曲線的線性區對高度變化很敏感的性質，類似電路學中
「差動放大器」的槪念，當輸入訊號的直流成分為零時，差動放大器
工作在線性區。在線性區中，輸入－輸出轉換曲線有很大的斜率，因 此輸入微小的訊號就會被差動放大器有效率的放大。共焦顯微術利用 縱向反應曲線線性區放大物體表面微小高度差的槪念，和差動放大器 利用輸入－輸出轉換曲線放大微小電訊號的原理十分相同，所以此技 術被叫做「差動共焦顯微術」。
因為差動共焦顯微術在開迴路操作下具有很高的縱向解析度與 大的動態範圍，在即時顯像的毫微米顯微技術上有很大的潛力。再加 上差動共焦顯微術的非接觸性、非侵入性的特點，非常適合用來觀察 液體或生物胞表面微小的動態行為。由於差動共焦顯微術不依賴光的 干涉來達成高解析度，因此在訊號光源與激發光源完全不同調性的情 形下，差動共焦顯微術的高縱向解析度與大動態範圍仍然存在，使得 差動共焦顯微術可以配合螢光顯微術，選擇性地的探測生物細胞中特 定物質的縱向運動等……，這是 STM 或 AFM 等非光學顯微技術無 法達成的。
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