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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合，來設計一個共焦熒光顯微鏡。這個光學系統主要由兩部分組成：將激光輸送到顯微物鏡的激光聚焦（和準直）系統，以及顯微物鏡、鏡筒透鏡和探測器組成的成像系統。本文提供了設計共聚焦顯微鏡的流程以及如何建立用于優化的評價函數，還有如何利用轉換為 NSC 組工具將整個序列模式系統轉換為非序列模式。

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里地位重要。為了獲得高分辨率，共聚焦顯微鏡的設計分為：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 中找到本顯微系統使用的物鏡，編號為 K_007。如果需要了解 ZEBASE 鏡頭庫可以聯系我們工作人員。

系統概覽

共焦光學顯微鏡系統由照明光源（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，整個光學系統就成為了共焦顯微鏡系統。

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

設計激光聚焦準直系統

我們需先在序列模式中設計激光聚焦準直系統，示例系統的激光參數如下：

首先創建聚焦系統元件的表面，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置為替換。應用默認評價函數設置，選擇以最小 RMS 點列圖半徑進行優化，如下圖所示：

在優化開始前，先對曲率半徑進行一些初步設置。如果你希望改變系統中的玻璃材質，請運行錘型優化。得到滿意的兩片透鏡后，取消所有變量，并在系統末尾創建一個表面，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。隨后在系統選項 (System Explorer) 中系統孔徑 (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，調整準直透鏡的厚度和曲率以滿足這個要求。

在評價函數優化向導中，創建一個新的評價函數，這次選擇以最小RMS波前差進行優化。之后選擇確定進行優化。則系統將會輸出準直光束。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。整個系統將會看起來如下圖所示：

設計鏡筒透鏡

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造成的偏心。點擊傾斜/偏心圖標，對1mm厚玻璃板進行關于 X-45°旋轉。

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，以適應玻璃板產生的位移。在鏡筒透鏡后插入一個坐標斷點面，并輸入1mm的固定厚度。

系統參數如下：

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

轉換為非序列模式

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

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

在系統前插入一個“橢圓光源”物體，X軸、Y軸寬度均為1.350mm。設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。調整Z軸位置，確保它位于聚焦系統的焦點上。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45°。

之后，多次使用調整參考物體 (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為非序列模式，在非序列模式編輯器中，使用調整參考物體，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的末尾。直接修改鏡筒透鏡第一表面的參考物體參數，使之參考ZEBASE物鏡的第一個透鏡。設置 Y 軸的距離，并繞Z軸旋轉180°，隨后使用調整參考物體按鈕，使之參考分色鏡，在此步驟之后，傾斜 X一欄應該顯示 -45。

之后，把系統中每個透鏡鍍上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 膜層的數據文件。

最后，在系統最后添加兩個物體，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、光激發光功能。附件中的非序列文件內包含三種方法，分別作為多重結構的結構1、結構2和結構3。

第一種方法（如上圖所示）創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，將其波長設置為熒光波長，并向所有方向輻射。這個建模方式能夠體現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系統成像的對比度。

最后，我們還能用光激發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據。這些數據必須以特定的格式列出，具體的細節您可以在附件中查詢。樣本需要吸收光譜和發射光譜數據，由此將把激發和量子效率光譜信息包含在內（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，阿貝數為 59.35。

光譜數據是從俄勒岡醫學激光中心在線數據庫中獲取的，該數據庫由 Scott Prahl 博士提供。

總結

本文介紹了用 OpticStudio 設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，并將二者結合。

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