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概述

這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中將序列模式和非序列模式結(jié)合，來設(shè)計一個共焦熒光顯微鏡。這個光學系統(tǒng)主要由兩部分組成：將激光輸送到顯微物鏡的激光聚焦（和準直）系統(tǒng)，以及顯微物鏡、鏡筒透鏡和探測器組成的成像系統(tǒng)。本文提供了設(shè)計共聚焦顯微鏡的流程以及如何建立用于優(yōu)化的評價函數(shù)，還有如何利用轉(zhuǎn)換為 NSC 組工具將整個序列模式系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為非序列模式。

引言

共聚焦顯微鏡能獲得高分辨率三維圖像，在生命科學和半導體行業(yè)里地位重要。為了獲得高分辨率，共聚焦顯微鏡的設(shè)計分為：從激光光源到顯微物鏡，和從顯微物鏡到探測器兩部分。本文提供了一個在 OpticStudio 中建模共聚焦顯微鏡的流程，您可在 ZEBASE 中找到本顯微系統(tǒng)使用的物鏡，編號為 K_007。如果需要了解 ZEBASE 鏡頭庫可以聯(lián)系我們工作人員。

系統(tǒng)概覽

共焦光學顯微鏡系統(tǒng)由照明光源（激光）、聚焦透鏡、準直透鏡、顯微物鏡、鏡筒透鏡和一個探測器組成。這些光學元件的擺放位置如下圖所示：

紫色的光束代表激光光源，粗紅線光束代表探測器接收的熒光，為了展示第二個針孔的作用，圖中還另外繪制了細紅線光束。第一個針孔放在聚焦透鏡和準直透鏡之間，第二個針孔放在鏡頭透鏡之后、探測器之前。兩個針孔位置共軛，整個光學系統(tǒng)就成為了共焦顯微鏡系統(tǒng)。

注意：雖然本設(shè)計并非掃描共焦顯微鏡，但示例文件中包含的一組用于設(shè)計掃描共焦顯微鏡的激光準直元件，可以作為將本系統(tǒng)改為掃描共焦顯微鏡系統(tǒng)的參考范本。

設(shè)計激光聚焦準直系統(tǒng)

我們需先在序列模式中設(shè)計激光聚焦準直系統(tǒng)，示例系統(tǒng)的激光參數(shù)如下：

首先創(chuàng)建聚焦系統(tǒng)元件的表面，材料可以選擇任意一種玻璃。僅把表面曲率作為變量，將玻璃材料求解類型設(shè)置為替換。應(yīng)用默認評價函數(shù)設(shè)置，選擇以最小 RMS 點列圖半徑進行優(yōu)化，如下圖所示：

在優(yōu)化開始前，先對曲率半徑進行一些初步設(shè)置。如果你希望改變系統(tǒng)中的玻璃材質(zhì)，請運行錘型優(yōu)化。得到滿意的兩片透鏡后，取消所有變量，并在系統(tǒng)末尾創(chuàng)建一個表面，以便之后放置針孔。

針孔后70mm處放置準直透鏡的第一個表面，并添加準直透鏡的其它表面。本例中，準直透鏡厚度為6mm。隨后在系統(tǒng)選項 (System Explorer) 中系統(tǒng)孔徑 (Aperture) 標簽下，選擇無焦像空間 (Afocal Image Space)。平行光半徑需要壓縮至小于顯微物鏡的入瞳，調(diào)整準直透鏡的厚度和曲率以滿足這個要求。

在評價函數(shù)優(yōu)化向?qū)е?，?chuàng)建一個新的評價函數(shù)，這次選擇以最小RMS波前差進行優(yōu)化。之后選擇確定進行優(yōu)化。則系統(tǒng)將會輸出準直光束。在針孔后40mm處放置一個虛擬面代表分色鏡。在分色鏡后40mm添加K_007物鏡。整個系統(tǒng)將會看起來如下圖所示：

設(shè)計鏡筒透鏡

首先新建一個文件，從 ZEBASE 把 K_007 物鏡拷貝到系統(tǒng)中。在物鏡最后一個元件后 40mm 處添加一個1mm 厚的玻璃平板，來模擬分色鏡對整個系統(tǒng)造成的偏心。點擊傾斜/偏心圖標，對1mm厚玻璃板進行關(guān)于 X-45°旋轉(zhuǎn)。

添加鏡筒透鏡所需的四個透鏡，在分色鏡后 40mm放置鏡筒透鏡的第一個平面，隨后引入 Y 軸偏心，以適應(yīng)玻璃板產(chǎn)生的位移。在鏡筒透鏡后插入一個坐標斷點面，并輸入1mm的固定厚度。

系統(tǒng)參數(shù)如下：

設(shè)置每個面的半徑和厚度為變量，設(shè)置材料求解類型為替換，最終你會得到類似下圖的系統(tǒng)：

轉(zhuǎn)換為非序列模式

打開第一個系統(tǒng)的文件，在文件 (File) 選項卡下選擇“轉(zhuǎn)換為 NSC 組 (Convert to NSC) ”，選中下列選框。

在系統(tǒng)選項 (System Explorer) 窗口的非序列模式 (Non-Sequential) 選項下，將參數(shù)改為下圖所示數(shù)據(jù)：

在系統(tǒng)前插入一個“橢圓光源”物體，X軸、Y軸寬度均為1.350mm。設(shè)置光源波長為單波長488nm。

參考物體4插入一個標準面物體作為物體5。調(diào)整Z軸位置，確保它位于聚焦系統(tǒng)的焦點上。之后，參考物體8插入一個標準面作為物體9，并確保它位于第二個面40mm處。這將會是你的分色鏡，所以將其繞X軸旋轉(zhuǎn)45°。

之后，多次使用調(diào)整參考物體 (Modify Reference Object) 功能，令K_007物鏡的第一個透鏡參考全局坐標系的同時，物鏡的其他透鏡參考各自前一個物體。

把物鏡第一個面繞X軸旋轉(zhuǎn)90°，并在Y軸移動-40mm的距離。保持Z軸位置與分色鏡相同。之后再次使用調(diào)整參考物體（Modify Reference Object) 使物鏡的第一個透鏡參考分色鏡。

下一步，將鏡筒透鏡合并到非序列文件中：僅把鏡筒透鏡表面轉(zhuǎn)為非序列模式，在非序列模式編輯器中，使用調(diào)整參考物體，讓每個透鏡參考其前一個物體。然后，把所有表面高亮，右鍵選擇“復制多個物體”把他們粘貼在整個非序列系統(tǒng)的末尾。直接修改鏡筒透鏡第一表面的參考物體參數(shù)，使之參考ZEBASE物鏡的第一個透鏡。設(shè)置 Y 軸的距離，并繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°，隨后使用調(diào)整參考物體按鈕，使之參考分色鏡，在此步驟之后，傾斜 X一欄應(yīng)該顯示 -45。

之后，把系統(tǒng)中每個透鏡鍍上AR膜層，分色鏡的前表面（朝著物鏡的一面）鍍上FLUORESCEIN 膜層，后表面鍍上理想膜層I.99。FLUORESCEIN 膜層反射 488nm的光，透射 521nm 的光，所以不包含在默認的膜層文件中，需要用戶手動添加，附件中包含 FLUORESCEIN 膜層的數(shù)據(jù)文件。

最后，在系統(tǒng)最后添加兩個物體，令其中靠前一個的物體類型是標準面，另一個是顏色探測器 (Detector Color)。標準面材料類型設(shè)置為 ABSORB，用來模擬針孔。把這個針孔放在第一個針孔的共軛位置，把探測器放在第二個針孔后用來接收圖像。

樣本建模

建模熒光顯微鏡的樣本有三種方法：矩形體光源物體、背光幻燈片、光激發(fā)光功能。附件中的非序列文件內(nèi)包含三種方法，分別作為多重結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3。

第一種方法（如上圖所示）創(chuàng)建了一個尺寸與樣本平面上光束直徑差不多的矩形體光源，將其波長設(shè)置為熒光波長，并向所有方向輻射。這個建模方式能夠體現(xiàn)第二個針孔對于成像清晰程度的影響。

背光幻燈片也是一種樣本的建模方法，把一張圖片放置在樣本平面，并設(shè)置物體類型為幻燈片，之后在其下方放置矩形光源，這一模型常用于表現(xiàn)系統(tǒng)成像的對比度。

最后，我們還能用光激發(fā)光特性對樣本進行建模。把任意體積物體（矩形體、標準面、球體等）放在物鏡焦點上，設(shè)置該物體的三維大小與你要觀測的目標尺寸相當。在本系統(tǒng)中，采用了半徑10微米的球體。在物體屬性界面，體散射 (volume physics) 標簽中，選擇熒光散射 (Photoluminescent) 模式。并輸入你的熒光材料的光譜數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)必須以特定的格式列出，具體的細節(jié)您可以在附件中查詢。樣本需要吸收光譜和發(fā)射光譜數(shù)據(jù)，由此將把激發(fā)和量子效率光譜信息包含在內(nèi)（您只需要選擇其中一個）。

本例中采用乙醇中的熒光素作為樣本，設(shè)置熒光體積的材料模擬乙醇的特性，d光下，乙醇折射率為 1.36168，阿貝數(shù)為 59.35。

光譜數(shù)據(jù)是從俄勒岡醫(yī)學激光中心在線數(shù)據(jù)庫中獲取的，該數(shù)據(jù)庫由 Scott Prahl 博士提供。

總結(jié)

本文介紹了用 OpticStudio 設(shè)計共聚焦顯微鏡的流程，同時使用了序列模式和非序列模式，并將二者結(jié)合。

您可在 ZEBASE 中找到本顯微系統(tǒng)使用的物鏡，編號為 K_007。ZEBASE 包含了超過600 個序列模式系統(tǒng)，如果需要了解 ZEBASE 鏡頭庫可以聯(lián)系我們工作人員。