激光共聚焦扫描显微镜的光学设计.pdf

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1、第38卷第3期2016年6月光学仪器OPTICALINSTRUMENTSV01．38，No．3June，2016文章编号：1005—5630(2016)03—0221—05激光共聚焦扫描显微镜的光学设计张洪飞，谈梦科，及少勇，李龙谭，郭汉明(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093)摘要：为获得较高分辨率的细胞图像，设计了激光共聚焦光学系统。通过较复杂结构物镜实现了照明光路系统和发射光路系统的设计。用Zemax对照明光路和发射光路进行了设计，仿真过程中照明光路的聚焦弥散斑直径小于1肛m，照明针孔处的聚焦弥散斑直径小于20弘m

2、，发射光路的聚焦弥散斑直径小于20肚m，同时照明光路和发射光路的MTF曲线接近衍射极限，达到较理想的情况。关键词：激光共聚焦；光学设计；照明光路系统；发射光路系统；Zemax中图分类号：TH703文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn-1005-5630．2016．03．006OpticaldesignoflaserconfocalscanningmicroscopyZHAGNHongfei，TANMengke，jIShaoyong，LILongtan，GUOHanming(SchoolofOptical—Electrical

3、andComputerEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China)Abstract：Inordertoobtainthehigh-resolutioncellimage，wedesignedalaserscanningconfocalopticalsystem．Thelightsystemandemissionsystemwererealizedbasedontheobjectiveofcomplexstructure．TheZe

4、maxwasusedforthesystemopticaldesign．Inthesimulationthefocalspotsizeoflightsystemwaslessthan1“m，andthefocalspotsizewaslessthan20pmatthelightpinholeposition．Thefocalspotsizewaslessthan20pmattheemissionpinholeposition．AtthesametimelightsystemandemissionsystemoftheMTFcurvewas

5、closetothediffractionlimittoreachtheidealsituation．Keywords：laserconfocalscanning；opticaldesign；1ightingsystem；emissionsystem；Zemax引言激光共聚焦扫描显微镜(LCSM)是以激光作为光源[1]，激光束经照明针孑L形成点光源对焦平面上标本进行扫描，标本上的聚焦点在与其共轭的探测针孔的位置成像[2]，这样所得到的共焦图像是样本的光学横断截面的图像。由此可知，激光共聚焦扫描显微镜的成像原理与普通的光学显微镜明显不同，它

6、以抑制焦点外物点信息的光信号来实现高分辨率，再采用扫描技术来弥补视场小的缺点[3]。理想情况下，实现点对点的成像。与普通光学显微镜相比，它可以获得更高的横向分辨率，并且具有较高的纵向分辨率。利用这样的特性，实现了对样品三维结构重建和测量分析的工作，为研究生物组织等物体结构提供了有效的工具‘引。收稿日期：2015—07—27基金项目：国家自然科学基金资助项目(61178079)作者简介：张洪飞(1988一)，男，硕士研究生，主要从事光机设计方面的研究。E-mail：zfifus420@163．corn·222光学仪器第38卷本文根据ICSM

7、工作原理设计了共聚焦扫描光学系统，并用Zemax对所设计光学系统进行仿真和优化。l激光共聚焦工作原理在共焦显微成像系统中，使用共焦探测针孔不但使得整个光学系统拥有了高分辨轴向响应特性，同时具有抗杂散光和增大对比度的优点。激光共聚焦扫描显微成像系统是利用物镜使光束聚焦形成很小的光点，通过光点与样品之间的相对运动，实现对样品逐点扫描成像。激光共聚焦扫描显微成像采用焦点共轭的技术，使照明针孔、探测针孑L、被照射的样品都处在彼此的共轭位置。这样只有在焦平面上的点被光源照射所激发出的荧光能够通过探测针孑L而被光电探测器所接收，焦面以外的光线或聚焦在

8、针孔前或聚焦在针孑L后，会很大程度地被抑制掉，因此共焦探测针孔的作用相当于一个针孑L滤波器，可以极大地提高激光共焦显微成像系统的纵向分辨率[5]。2光学系统设计过程激光共聚焦光学系统由照明光路