作者：肖海东 吴永前
来源：《光学仪器》2018年第06期
文章编号： 1005-5630（2018）06-0065-10
摘要： 为了实现非接触式、快速高精度的光学检测，设计了一种共聚焦激光扫描显微光学系统。在保证设计指标的前提下，简化了各光组的结构，采用7片球面透镜并以K9玻璃作为透镜材料。使用Zemax软件对光学系统进行了设计和仿真。结果表明：物镜的数值孔径为0.49;系统的径向和轴向光学分辨率分别为0.400 μm和0.772 μm;显微聚焦系统聚焦弥散斑直径小于2 μm;照明系统聚焦弥散斑直径小于10 μm;探测系统的聚焦光斑直径小于20 μm;根据仿真结果确定了针孔1和针孔2的尺寸均为20 μm，且厚度不超过0.1 mm;各子系统的MTF曲线均接近衍射极限，具有很高的光学传输效率。 才智中南 关键词： 光学设计; Zemax; 激光共聚焦; 显微物镜; 照明系统; 探测系统
中图分类号： O 439; TH 742文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.011
引言
与普通光学显微镜不同，共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscop
e，CLSM）以激光为照明光源，通过独特的针孔滤波技术和共轭成像原理，抑制了显微物镜焦点之外的物点信息的光信号，进而提高了光学分辨率，同时采用相应的扫描技术，又可以弥补CLSM系统视场小的缺点[1-4]。因此在理想情况下，CLSM能够实现点对点成像。与普通光学显微镜相比，CLSM系统在获得更高的横向分辨率的同时，还具有较高的纵向分辨率。利用这种特性，可以实现对样品的三维结构重建和测量分析，为研究透明物体的内部结构提供了参考[5]。
1基本原理
CLSM的本质是物像共轭，具体表现为：照明光源和探测器所处的位置分别与显微物镜焦点位置共轭，CLSM利用这种共轭关系抑制了光束离焦量和系统杂散光对光学分辨率和精度的影响，其基本原理如图1所示[6]。CLSM利用针孔对光源的空间滤波和整形，形成点光源;点光源能量高度集中，避免了场光源照射时可能产生的衍射和散射光干扰的问题;它通过显微物镜聚焦，在焦平面上形成一个聚焦光点;待测样品处的反射光或者荧光标记物被照射后发出的荧光被物镜收集，并沿着原光路返回分光镜，分光镜将返回的光束反射并通过聚焦成像透镜经由探测针孔会聚于探测器[3-4，7-8]。在CLSM中，只有在物镜焦平面上
聚乙二醇醚
的聚焦光点处的反射光或者荧光才能够通过探测针孔，而焦平面以外的干扰光和散射光不能通过探测针孔，这就是共聚焦显微系统具有很高光学分辨率的原因[9]。
第一课标 CLSM系统主要由照明光源、聚光透镜、针孔1、准直透镜、分光镜、显微物镜、聚焦成像透镜、针孔2、光电探测元件等构成，系统结构如图2所示。聚光透镜和准直透镜配合针孔1用于激光光束的整形和准直;显微物镜用于将照明光束聚焦和收集被测样品的反射光;聚焦成像透镜用于将反射光会聚在探测针孔处，以便CCD探测器探测光信号;分光镜用于分光。分光光路采用平行光路，这样可以在光路中插入分光棱镜、偏振片等元件而不引入像差，还可以根据需要调整光路长度。按功能CLSM系统可以分为三个子系统：准直透镜和显微物镜组成显微聚焦系统;光源，聚光透镜和针孔1组成照明系统;聚焦成像透镜和显微物镜组成探测系统[10]。下面将介绍各子系统的光学设计结果。
2光学系统的设计
2.1设计指标
CLSM照明光源采用激光，因为激光兼具方向性和单性的优势。激光以平行光的形式进入光学系统，CLSM光学系统的设计指标如下：
（1） CLSM系統径向光学分辨率不低于0.5 μm，轴向光学分辨率不低于0.8 μm。
（2） 照明激光波长为450 nm，激光器输出光束光斑直径为4 mm。
（3） 根据照明系统的设计和仿真结果确定针孔1的尺寸;根据探测系统的设计和仿真结果确定针孔2的尺寸。
（4） 在满足CLSM系统分辨率的基础上，确保显微物镜的工作距离不小于1.5 mm。
（5） 为了使所设计的光学系统符合实际加工制造的条件，应尽可能简化系统结构，并采用K9玻璃作为光学系统的主要材料。药物靶标
王立军自白 （6）为了便于后续设计，显微物镜的入瞳可以取整为D=6 mm。考虑到系统工作距离不少于1.5 mm，去除相应的机械结构占用和设计余量，显微物镜工作距离应取2 mm。
根据数值孔径、放大率、工作距离等参数在《光学设计手册》中选定一组由四个单透镜组成的初始结构。在初始结构的基础上进行修改以满足数值孔径、放大率、工作距离等参数的设计要求，材料选用K9玻璃，优化时只需要校正显微物镜的轴上点球差。波长选择
450 nm，入射光瞳为6 mm，利用Zemax对修改后的显微物镜的初始结构进行仿真和优化，最终得到优化后的显微物镜结构参数，如表1所示，此外，根据Zemax的仿真结果列出了优化后的显微物镜的主要参数，如表2所示。
2.2.2准直透镜的设计
准直透镜的作用是将针孔1整形和滤波后形成的点光源准直为平行光束入射到显微物镜，同时使平行光束尽可能充满显微物镜的入瞳。显微物镜入瞳为6 mm，所以准直透镜的出射光束直径为6 mm。采用单透镜，玻璃材料为K9，工作波长为450 nm，在Zemax的afocal focus模式下对初始结构进行像差自动校正与平衡。优化后最终得到准直透镜的结构参数，如表3所示，2D结构图如图6所示，由此可知准直透镜出射光束在透镜后表面20 mm处的光束半径为3 mm，满足显微物镜入瞳要求。海洋线虫
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议