ZEMAX | 如何用 OpticStudio 設(shè)計(jì)共焦熒光顯微鏡
引言
人類通過科學(xué)技術(shù)拓展自己的感官范圍，在光學(xué)方面，不同的光學(xué)系統(tǒng)讓人們能夠觀察到上至星辰宇宙下至微觀顆粒的形狀樣貌 。本周的技術(shù)文章，讓我們關(guān)注：
如何用 OpticStudio 設(shè)計(jì)共焦熒光顯微鏡
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(jì)一個(gè)共焦熒光顯微鏡。這個(gè)光學(xué)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(zhǔn)直）系統(tǒng)，以及顯微物鏡、鏡筒透鏡和探測(cè)器組成的成像系統(tǒng)。本文提供了設(shè)計(jì)共聚焦顯微鏡的流程以及如何建立用于優(yōu)化的評(píng)價(jià)函數(shù)，還有如何利用轉(zhuǎn)換為 NSC 組工具將整個(gè)序列模式系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為非序列模式。
本文中使用的附件請(qǐng)從以下鏈接中下載：
內(nèi)含文件：
· Fluorescein coating file
· Non-Sequential confocal fluorescent microscope
· Fluorescein in Ethanol Absorption Data
· Fluorescein in Ethanol Emission Data
· Fluorescein in Ethanol Quantum Yield
引言
共聚焦顯微鏡能獲得高分辨率三維圖像，在生命科學(xué)和半導(dǎo)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(jì)分為：從激光光源到顯微物鏡，和從顯微物鏡到探測(cè)器兩部分。本文提供了一個(gè)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(hào)為 K_007。您可以購買和下載ZEBASE 作為 OpticStudio 的增值服務(wù)。
系統(tǒng)概覽
共焦光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)由照明光源（激光）、聚焦透鏡、準(zhǔn)直透鏡、顯微物鏡、鏡筒透鏡和一個(gè)探測(cè)器組成。這些光學(xué)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(cè)器接收的熒光，為了展示第二個(gè)針孔的作用，圖中還另外繪制了細(xì)紅線光束。第一個(gè)針孔放在聚焦透鏡和準(zhǔn)直透鏡之間，第二個(gè)針孔放在鏡頭透鏡之后、探測(cè)器之前。兩個(gè)針孔位置共軛，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)就成為了共焦顯微鏡系統(tǒng)。
注意：雖然本設(shè)計(jì)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(jì)掃描共焦顯微鏡的激光準(zhǔn)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(jì)激光聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)
我們需先在序列模式中設(shè)計(jì)激光聚焦準(zhǔn)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(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)置，選擇以最小 RMS 點(diǎn)列圖半徑進(jìn)行優(yōu)化，如下圖所示：
在優(yōu)化開始前，先對(duì)曲率半徑進(jìn)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(qǐng)運(yùn)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(gè)表面，以便之后放置針孔。
針孔后70mm處放置準(zhǔn)直透鏡的第一個(gè)表面，并添加準(zhǔn)直透鏡的其它表面。本例中，準(zhǔn)直透鏡厚度為6mm。隨后在系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) 中系統(tǒng)孔徑 (Aperture) 標(biāo)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(zhǔn)直透鏡的厚度和曲率以滿足這個(gè)要求。
在評(píng)價(jià)函數(shù)優(yōu)化向?qū)е?，?chuàng)建一個(gè)新的評(píng)價(jià)函數(shù)，這次選擇以最小RMS波前差進(jìn)行優(yōu)化。之后選擇確定進(jìn)行優(yōu)化。則系統(tǒng)將會(huì)輸出準(zhǔn)直光束。在針孔后40mm處放置一個(gè)虛擬面代表分色鏡。在分色鏡后40mm添加K_007物鏡。整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)看起來如下圖所示：
設(shè)計(jì)鏡筒透鏡
首先新建一個(gè)文件，從 ZEBASE 把 K_007 物鏡拷貝到系統(tǒng)中。在物鏡最后一個(gè)元件后 40mm 處添加一個(gè)1mm 厚的玻璃平板，來模擬分色鏡對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的偏心。點(diǎn)擊傾斜/偏心圖標(biāo)，對(duì)1mm厚玻璃板進(jìn)行關(guān)于 X-45°旋轉(zhuǎn)。
添加鏡筒透鏡所需的四個(gè)透鏡，在分色鏡后 40mm放置鏡筒透鏡的第一個(gè)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(gè)坐標(biāo)斷點(diǎn)面，并輸入1mm的固定厚度。
系統(tǒng)參數(shù)如下：
設(shè)置每個(gè)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(huì)得到類似下圖的系統(tǒng)：
轉(zhuǎn)換為非序列模式
打開第一個(gè)系統(tǒng)的文件，在文件 (File) 選項(xiàng)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(xiàng) (System Explorer) 窗口的非序列模式 (Non-Sequential) 選項(xiàng)下，將參數(shù)改為下圖所示數(shù)據(jù)：
在系統(tǒng)前插入一個(gè)“橢圓光源”物體，X軸、Y軸寬度均為1.350mm。設(shè)置光源波長(zhǎng)為單波長(zhǎng)488nm。
參考物體4插入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)上。之后，參考物體8插入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)面作為物體9，并確保它位于第二個(gè)面40mm處。這將會(huì)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(gè)透鏡參考全局坐標(biāo)系的同時(shí)，物鏡的其他透鏡參考各自前一個(gè)物體。
把物鏡第一個(gè)面繞X軸旋轉(zhuǎn)90°，并在Y軸移動(dòng)-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(gè)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(gè)透鏡參考其前一個(gè)物體。然后，把所有表面高亮，右鍵選擇“復(fù)制多個(gè)物體”把他們粘貼在整個(gè)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(gè)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(gè)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(rèn)的膜層文件中，需要用戶手動(dòng)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(gè)物體，令其中靠前一個(gè)的物體類型是標(biāo)準(zhǔn)面，另一個(gè)是顏色探測(cè)器 (Detector Color)。標(biāo)準(zhǔn)面材料類型設(shè)置為 ABSORB，用來模擬針孔。把這個(gè)針孔放在第一個(gè)針孔的共軛位置，把探測(cè)器放在第二個(gè)針孔后用來接收?qǐng)D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(gè)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(zhǎng)設(shè)置為熒光波長(zhǎng)，并向所有方向輻射。這個(gè)建模方式能夠體現(xiàn)第二個(gè)針孔對(duì)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(duì)比度。
最后，我們還能用光激發(fā)光特性對(duì)樣本進(jìn)行建模。把任意體積物體（矩形體、標(biāo)準(zhǔn)面、球體等）放在物鏡焦點(diǎn)上，設(shè)置該物體的三維大小與你要觀測(cè)的目標(biāo)尺寸相當(dāng)。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(biāo)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(xì)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(gè)）。
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(xué)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。
小結(jié)
本文介紹了用 OpticStudio 設(shè)計(jì)共聚焦顯微鏡的流程，同時(shí)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(hào)為 K_007。ZEBASE 包含了超過600 個(gè)序列模式系統(tǒng)，您可以聯(lián)系我們購買和下載 ZEBASE 作為 OpticStudio 的增值服務(wù)。
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