設計一個(ge) 傍軸近似條件下的，帶有掃描成像係統的激光掃描顯微鏡很簡單。例如，假設我們(men) 設計一個(ge) FOV 為(wei) 500微米、橫向空間分辨率(d) 為(wei) ~1 微米的 MPLSM 係統。給定條件為(wei) 光源波長為(wei) 1040 nm （對應於(yu) 我們(men) 的 Yb:KGW 激光振蕩器），我們(men) 希望選擇一個(ge) 滿足所需空間分辨率的物鏡，以及一對滿足在所需 FOV 上形成圖像的中繼透鏡。
多光子顯微鏡設計實用指南（12）
5.3傍軸掃描係統設計
設計一個(ge) 傍軸近似條件下的，帶有掃描成像係統的激光掃描顯微鏡很簡單。例如，假設我們(men) 設計一個(ge) FOV 為(wei) 500微米、橫向空間分辨率(d) 為(wei) ~1 微米的 MPLSM 係統。給定條件為(wei) 光源波長為(wei) 1040 nm （對應於(yu) 我們(men) 的 Yb:KGW 激光振蕩器），我們(men) 希望選擇一個(ge) 滿足所需空間分辨率的物鏡，以及一對滿足在所需 FOV 上形成圖像的中繼透鏡。
首先，讓我們(men) 根據空間分辨率的要求來選擇一個(ge) 物鏡。雖然物鏡的特性將在第6節後麵詳細討論，但我們(men) 注意到，在緊密聚焦激發光的雙光子激發下，橫向空間分辨率可以用對物體(ti) 區域中強度分布的高斯擬合來很好地描述。空間分辨率為(wei) 照明點擴散函數
的平方的最大強度的1∕e半徑，定義(yi) 為(wei) ：
其中，λ為(wei) 照明光的波長，NA為(wei) 物鏡的數值孔徑。我們(men) 將成像係統的橫向空間分辨率定義(yi) 為(wei) IPSF2的1∕e2點的全寬度:
求解NA，在小於(yu) 0.7的假設下，我們(men) 發現0.65NA的物鏡足以在1040nm照明光下提供約1μm的空間分辨率。因此，我們(men) 選擇一個(ge) 40×∕0.65NA的物鏡。基於(yu) 這個(ge) 物鏡，我們(men) 現在選擇能夠提供所需 FOV 的掃描透鏡和套筒透鏡Tube Lens。實際上，這相當於(yu) 選擇具有適當 f 數 (f ∕#) 的 Tube Lens。套筒透鏡的孔徑 (At) 必須足夠大，以支持最大掃描角(θmax) 處的照明光束的整個(ge) 直徑。因此，套筒透鏡的孔徑必須大於(yu) 或等於(yu) 光束直徑 (Db) 與(yu) 主光線與(yu) 光軸的最大位移之和：
由於(yu) 我們(men) 上麵計算的空間分辨率隻有在物鏡的後背孔徑被完全填充時才能實現，我們(men) 假設 Db 等於(yu) 後背孔徑的直徑。在傍軸近似下，物鏡後背孔徑（Ao）的直徑為(wei) ：
θmax與(yu) 物鏡的焦距和所需的FOV有關(guan) 。再一次，利用傍軸近似，得到：
正如預期的那樣，管透鏡的孔徑由物鏡的 FOV、焦距和 NA 決(jue) 定：
無限遠校正的物鏡的焦距可以通過透鏡的放大倍數和製造商規定的套筒透鏡的焦距來確定（見第6節）。對於(yu) 我們(men) 選擇的UIS係列蔡司透鏡（Zeiss, Thornwood, New York, USA），套筒鏡頭的焦距為(wei) ，所以物鏡的焦距為(wei)
式 (21) 和 (22) 可用於(yu) 根據所需 FOV 和可從(cong) 物鏡獲得的參數（即放大倍率和 NA）確定套筒透鏡所需的孔徑：
隻要已知製造商規定的套筒透鏡的焦距。雖然方程 (23) 作為(wei) 選擇 Tube Lens 孔徑的快速經驗法則， 更常見的情況是孔徑是固定的，套筒透鏡的焦距是一個(ge) 變量。因此，將此表達式重新表示為(wei) ：
對於(yu) 給定的孔徑，方程(24) 為(wei) 選擇 Tube Lens 的焦距提供了一個(ge) 很好的經驗法則。在本例中，我們(men) 假設 Tube Lens 的孔徑為(wei) 30 mm，要求鏡頭焦距小於(yu) 或等於(yu) 200 mm。
在最簡單的情況下，掃描和管透鏡(Tube lens)的焦距是相當的。然而，在某些情況下，需要光束經過放大來填充套筒透鏡的通光孔徑。通過調整套筒透鏡和掃描透鏡之間的焦距比來實現光束的適當放大。確定掃描透鏡焦距後，可以計算掃描透鏡的孔徑，以確保選擇合適的f∕#透鏡。在本示例中，~5.34 mm 的光束直徑不足以保證掃描係統內(nei) 的光束擴展，選擇一組相同的掃描和管透鏡是可行的。此外，這些方程可用於(yu) 確定θs；這確保了掃描機製可以提供所需的偏轉以實現規定的FOV。
5.3a非傍軸近似條件下的大孔徑遠心透鏡
在第 5.3 節中，我們(men) 使用傍軸近似對掃描係統進行了初步設計，這意味著與(yu) 光軸的偏轉角很小。雖然對於(yu) 商用掃描鏡頭來說，這是一個(ge) 很好的一階近似，但對於(yu) 真實的掃描係統，場曲的影響也很重要，因為(wei) 它會(hui) 扭曲圖像平麵上的光斑尺寸。此外，由於(yu) 對於(yu) 更快的馬賽克成像較大的 FOV 是可取的，因此問題隻會(hui) 隨著我們(men) 掃描的離軸越遠而變得更加複雜。
如果沒有傍軸近似，即使是輕微的偏轉也會(hui) 導致焦點偏離最佳聚焦位置——這是在軸上的光傳(chuan) 播中實現的。標準的消色差透鏡的設計不僅(jin) 可以最小化色差，而且通常還可以最小化球差。但是，這種優(you) 化隻是針對軸上的光。因此，當準直激光束通過標準消色差透鏡離軸掃描時，光束存在明顯像差，包括球差、慧差、像散和場曲。然而，如前麵在5.2節中討論的，某些鏡頭是專(zhuan) 為(wei) 掃描国产成人在线观看免费网站設計和優(you) 化的。圖19顯示了消色差透鏡和用於(yu) 遠心掃描的掃描透鏡（均為(wei) 商業(ye) 上）的比較；
圖中顯示了兩(liang) 個(ge) 鏡頭在掃描範圍內(nei) 的聚焦質量和焦平麵的曲率。由於(yu) 掃描鏡頭的優(you) 越性能，其中兩(liang) 個(ge) 將用於(yu) 掃描鏡和物鏡後背孔徑之間的中繼係統(如圖20所示).
圖21展示了商用掃描鏡頭獲取大FOV圖像的能力。
如圖所示為(wei) ZEMAX對商業(ye) 消色差透鏡和商業(ye) 遠心掃描透鏡的離軸聚焦性能的比較。鏡頭圖(a)和(b)分別為(wei) 消色差鏡頭和LSM05-BB鏡頭。(a)也用紅色表示焦平麵的場曲率。點列圖(c)和(d)比較距光軸7.5°偏差的鏡頭焦點。
DOI：https://doi.org/10.1364/AOP.7.000276
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