ZEMAX | 如何用 OpticStudio 设计共焦荧光显微镜

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ZEMAX | 如何用 OpticStudio 设计共焦荧光显微镜

概述

人类通过科学技术拓展自己的感官范围，在光学方面，不同的光学系统让人们能够观察到上至星辰宇宙下至微观颗粒的形状样貌。本周的技术文章，让我们关注：

如何用 OpticStudio 设计共焦荧光显微镜

概述

这篇文章介绍了如何在 OpticStudio 中将序列模式和非序列模式结合，来设计一个共焦荧光显微镜。这个光学系统主要由两部分组成：将激光输送到显微物镜的激光聚焦（和准直）系统，以及显微物镜、镜筒透镜和探测器组成的成像系统。本文提供了设计共聚焦显微镜的流程以及如何建立用于优化的评价函数，还有如何利用转换为 NSC 组工具将整个序列模式系统转换为非序列模式。

本文中使用的附件请从以下链接中下载：

https://customers.zemax.com/ZMXLLC/media/Knowledge-Base/Attachments/16140818How-to-Design-a-Confocal-Fluorescent-Microscope-attachments.zip

内含文件：

· 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

共聚焦显微镜能获得高分辨率三维图像，在生命科学和半导体行业里地位重要。为了获得高分辨率，共聚焦显微镜的设计分为：从激光光源到显微物镜，和从显微物镜到探测器两部分。本文提供了一个在 OpticStudio 中建模共聚焦显微镜的流程，您可在 ZEBASE 中找到本显微系统使用的物镜，编号为 K_007。您可以购买和下载ZEBASE 作为 OpticStudio 的增值服务。

系统概览

共焦光学显微镜系统由照明光源（激光）、聚焦透镜、准直透镜、显微物镜、镜筒透镜和一个探测器组成。这些光学元件的摆放位置如下图所示：

紫色的光束代表激光光源，粗红线光束代表探测器接收的荧光，为了展示第二个针孔的作用，图中还另外绘制了细红线光束。第一个针孔放在聚焦透镜和准直透镜之间，第二个针孔放在镜头透镜之后、探测器之前。两个针孔位置共轭，整个光学系统就成为了共焦显微镜系统。

注意：虽然本设计并非扫描共焦显微镜，但示例文件中包含的一组用于设计扫描共焦显微镜的激光准直元件，可以作为将本系统改为扫描共焦显微镜系统的参考范本。

设计激光聚焦准直系统

我们需先在序列模式中设计激光聚焦准直系统，示例系统的激光参数如下：

首先创建聚焦系统元件的表面，材料可以选择任意一种玻璃。仅把表面曲率作为变量，将玻璃材料求解类型设置为替换。应用默认评价函数设置，选择以最小 RMS 点列图半径进行优化，如下图所示：

在优化开始前，先对曲率半径进行一些初步设置。如果你希望改变系统中的玻璃材质，请运行锤型优化。得到满意的两片透镜后，取消所有变量，并在系统末尾创建一个表面，以便之后放置针孔。

针孔后70mm处放置准直透镜的第一个表面，并添加准直透镜的其它表面。本例中，准直透镜厚度为6mm。随后在系统选项 (System Explorer) 中系统孔径 (Aperture) 标签下，选择无焦像空间 (Afocal Image Space)。平行光半径需要压缩至小于显微物镜的入瞳，调整准直透镜的厚度和曲率以满足这个要求。

在评价函数优化向导中，创建一个新的评价函数，这次选择以最小RMS波前差进行优化。之后选择确定进行优化。则系统将会输出准直光束。在针孔后40mm处放置一个虚拟面代表分色镜。在分色镜后40mm添加K_007物镜。整个系统将会看起来如下图所示：

设计镜筒透镜

首先新建一个文件，从 ZEBASE 把 K_007 物镜拷贝到系统中。在物镜最后一个元件后 40mm 处添加一个1mm 厚的玻璃平板，来模拟分色镜对整个系统造成的偏心。点击倾斜/偏心图标，对1mm厚玻璃板进行关于 X-45°旋转。

添加镜筒透镜所需的四个透镜，在分色镜后 40mm放置镜筒透镜的第一个平面，随后引入 Y 轴偏心，以适应玻璃板产生的位移。在镜筒透镜后插入一个坐标断点面，并输入1mm的固定厚度。

系统参数如下：

设置每个面的半径和厚度为变量，设置材料求解类型为替换，最终你会得到类似下图的系统：

转换为非序列模式

打开第一个系统的文件，在文件 (File) 选项卡下选择“转换为 NSC 组 (Convert to NSC) ”，选中下列选框。

在系统选项 (System Explorer) 窗口的非序列模式 (Non-Sequential) 选项下，将参数改为下图所示数据：

在系统前插入一个“椭圆光源”物体，X轴、Y轴宽度均为1.350mm。设置光源波长为单波长488nm。

参考物体4插入一个标准面物体作为物体5。调整Z轴位置，确保它位于聚焦系统的焦点上。之后，参考物体8插入一个标准面作为物体9，并确保它位于第二个面40mm处。这将会是你的分色镜，所以将其绕X轴旋转45°。

之后，多次使用调整参考物体 (Modify Reference Object) 功能，令K_007物镜的第一个透镜参考全局坐标系的同时，物镜的其他透镜参考各自前一个物体。

把物镜第一个面绕X轴旋转90°，并在Y轴移动-40mm的距离。保持Z轴位置与分色镜相同。之后再次使用调整参考物体（Modify Reference Object) 使物镜的第一个透镜参考分色镜。

下一步，将镜筒透镜合并到非序列文件中：仅把镜筒透镜表面转为非序列模式，在非序列模式编辑器中，使用调整参考物体，让每个透镜参考其前一个物体。然后，把所有表面高亮，右键选择“复制多个物体”把他们粘贴在整个非序列系统的末尾。直接修改镜筒透镜第一表面的参考物体参数，使之参考ZEBASE物镜的第一个透镜。设置 Y 轴的距离，并绕Z轴旋转180°，随后使用调整参考物体按钮，使之参考分色镜，在此步骤之后，倾斜 X一栏应该显示 -45。

之后，把系统中每个透镜镀上AR膜层，分色镜的前表面（朝着物镜的一面）镀上FLUORESCEIN 膜层，后表面镀上理想膜层I.99。FLUORESCEIN 膜层反射 488nm的光，透射 521nm 的光，所以不包含在默认的膜层文件中，需要用户手动添加，附件中包含 FLUORESCEIN 膜层的数据文件。

最后，在系统最后添加两个物体，令其中靠前一个的物体类型是标准面，另一个是颜色探测器 (Detector Color)。标准面材料类型设置为 ABSORB，用来模拟针孔。把这个针孔放在第一个针孔的共轭位置，把探测器放在第二个针孔后用来接收图像。

样本建模

建模荧光显微镜的样本有三种方法：矩形体光源物体、背光幻灯片、光激发光功能。附件中的非序列文件内包含三种方法，分别作为多重结构的结构1、结构2和结构3。

第一种方法（如上图所示）创建了一个尺寸与样本平面上光束直径差不多的矩形体光源，将其波长设置为荧光波长，并向所有方向辐射。这个建模方式能够体现第二个针孔对于成像清晰程度的影响。

背光幻灯片也是一种样本的建模方法，把一张图片放置在样本平面，并设置物体类型为幻灯片，之后在其下方放置矩形光源，这一模型常用于表现系统成像的对比度。

最后，我们还能用光激发光特性对样本进行建模。把任意体积物体（矩形体、标准面、球体等）放在物镜焦点上，设置该物体的三维大小与你要观测的目标尺寸相当。在本系统中，采用了半径10微米的球体。在物体属性界面，体散射 (volume physics) 标签中，选择荧光散射 (Photoluminescent) 模式。并输入你的荧光材料的光谱数据。这些数据必须以特定的格式列出，具体的细节您可以在附件中查询。样本需要吸收光谱和发射光谱数据，由此将把激发和量子效率光谱信息包含在内（您只需要选择其中一个）。