激光共聚焦扫描显微镜的光学设计.docx

2
激光共聚焦扫描显微镜的光学设计
Abstract： In order to obtain the high-resolution cell image，we designed a laser scanning confocal 的工作，为争论生物组织等物体结构供应了有效的工具[4]。
2
　　本文依据LCSM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。
　　1 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辨别轴向响应特性，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接受焦点共轭的技术，使照明针孔、探测针孔、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孔而被光电探测器所接收，焦面以外的光线或聚焦在针孔前或聚焦在针孔后，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孔滤波器，可以极大地提高激光共焦显微成像系统的纵向辨别率[5]。
　　2 光学系统设计过程
　　激光共聚焦光学系统由照明光路系统和放射光路系统组成。如图1所示，激光器发出的激光束经过准直扩束透镜组（镜组1、2），变成一束直径较大的平行光束，二向色镜4使光束偏转90°，经过物镜3会聚在其焦点上。样品中的荧光物质在激光激发下放射沿各个方向的荧光，一部分荧光经过物镜、二向色镜、高通滤波片5、聚焦透镜（镜组6）会聚在聚焦透镜的焦点处，再通过焦点处的针孔7，由探测器8接收。
4
　　 照明光路设计
　　
　　激光准直扩束系统由图1中的镜组1和透镜2组成，其从左到右各面的参数如表1，通过转变光束束腰直径，使激光的准直性、光束平行度变高，且照明针孔位于镜组1的聚焦点处，激光经过此针孔后形成点光源，点光源不仅具有方向性强、发散小、亮度高的特点，而且具有高度的空间和时间相干性以及平面偏振激发等独特的优点。为了得到较小的聚焦光斑，聚焦光路选择两个透镜组合（镜组1）的形式，材料选择ZF14，其聚焦光斑点列图如图2所示，光斑直径小于20 μm。此处照明针孔和探测针孔几何尺寸全都。探测针孔的大小与艾里斑的直径相关，针孔大小为艾里斑经过光学系统成像的大小时，探测器接收光能量较高[6-7]。
　　 显微物镜
　　显微物镜是LSCM中最为重要的器件，对成像质量起准备性作用，而数值孔径是推断物镜性能的重要参数，表征物镜的聚光力气，增加物镜的聚光力气，可提高物镜的辨别率。依据初始结构[10]校正轴上点球差，并保证较大的数值孔径。图1物镜3从上到下各面的参数如表2所示，点列图如图3所示。
　　由图3可知此物镜的像差很小，弥散斑直径小于1 μm。由数值孔径计算公式NA=nsinθ，。同时数值孔径准备物镜的衍射辨别率σ的大小，由σ= nm， μm。物镜的MTF曲线如图4所示，其接近于衍射极限，因此具有极高的辨别率[8-9]。