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共聚焦激光扫描显微系统光学设计作者：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。
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 microscope，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]。
超分辨显微成像技术的新发展马利红引言人类获得信息的主要器官是眼睛，然而靠人眼观察客观事物的空间分辨率的极限约为4´米，客观世界中人眼不能分辨的所有细微结构称为微观世界。
显微成像技术将310-微观过程或结构成放大图像，以便于人眼能够直接观察。
研究微观世界所涉及的学科领域十分广泛，有生物、医学、材料科学、精密机械、微电子学、分子及原子物理、核物理等等，微观世界中细分的微量尺度原则上是无穷的，因而显微学是跨多学科的，其发展也是无止境的。
1665年，Robert Hooke用原始显微镜发现了池塘水中单细胞有机体，它的出现为人类打开了微观世界的大门。
光学显微镜由此成为历代生物学家的主要研究工具之一。
生物学家把显微镜作为一种主要工具来研究生物器官、组织和细胞，由此奠定了细胞学和组织学的基础，并对生物学、遗传学、微生物学、病理学和医学的发展起到了极大的推动作用。
但传统光学显微镜有以下两个主要缺点：(1)受衍射极限的限制，其分辨率与照明波长是同一个数量级，具有一个数值孔径(NA=nsin(q))的传统光学显微镜，分辨极限l，称之为瑞利判据；(2)由于使用的是场光源，观测到的是一个宽视野图像，为0.61/NA从而降低了信噪比，影响了图像的清晰度和分辨率。
随着生物医学、材料科学等的发展对显微提出了更高的要求，不仅希望其具有更高的分辨率，而且能对样品进行无损成像，甚至希望可观察其三维图像。
因此，传统的显微镜已不能满足要求。
电子显微镜的分辨率虽然远高于光学显微镜，但它需要在真空条件下工作，因此很难观察活的生物样品，另外电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。
电子显微镜、的局限以及高分辨显微的需求，迫使人们转向超经典衍射极限的光学超分辨理论和技术研究，利用新原理、新技术、新方法来实现光学高分辨力成像和检测。
第一节基于传统的Rayleigh分辨率意义下的超分辨理论光学系统的空间分辨率是一个非常有用的概念，但是关于它的具体定义和描述却有许多不同的见解。
光学衍射极限的突破纪岚森，仵云龙，李岷池，贺杰（青岛大学物理科学学院2011级材料物理1班）摘要：由于光学衍射极限的存在，使得在电子科技上边很难达到人们期望的高分辨率，然而光学衍射极限并不是不能克服的。
除了减小光波长与增加孔径外，我们还可以通过改变光路来突破艾里斑衍射极限。
减小艾里斑在很多的方面都有极其重要的意义，这里讲述的是艾里斑对显微镜技术突破的一些介绍。
关键词：艾里斑，显微镜，光学衍射极限1引言：在大量的电子图像应用领域，人们经常期望得到高分辨率（简称HR）图像。
高分辨率意味着图像中的像素密度高，能够提供更多的细节，而这些细节在许多实际应用中不可或缺。
例如，高分辨率医疗图像对于医生做出正确的诊断是非常有帮助的；使用高分辨率卫星图像就很容易从相似物中区别相似的对象；如果能够提供高分辨的图像，计算机视觉中的模式识别的性能就会大大提高。
同时随着生命科学的迅猛发展三维光学显微技术也已经成为研究生命过程的一种极为有效的工具，但是传统的基于荧光共焦技术的成像方案受到光学衍射极限的限制，其横向和纵向的数量级均在百纳米，因而无法满足科学技术发展的需要，利用各种非线性光学荧光激发方案已经打破光学极限的方案已经实现，然而这种光路较为复杂，通过其他的方法构造出来的奇异光线也是能够实现科学家长期最求的三维远场光学的超分辨成像。
根据瑞利衍射极限任意的光学系统成像就会在像方产生一个光斑，而这个光斑是无法通过改变显微镜的结构来实现的，也就是说，无论是共焦显微镜或是宽场显微镜这个光斑都是存在的，而这个光斑就是我们所说的爱里斑(Airy disc) 由于光的波动性，光通过小孔会发生衍射，明暗相间的条纹衍射图样，条纹间距随小孔尺寸的减少而变大。
大约有84%的光能量集中在中央亮斑，其余16%的光能量分布在各级明环上。
衍射图样的中心区域有最大的亮斑，称为爱里斑。
爱里斑的角度与波长(λ)及小孔的直径(d)满足关系：sinθ=1.22λ/d，θ即第一暗环的衍射方向角（即从中央亮斑的中心到第一暗环对透镜光心的张角），因为θ角一般都很小，有sinθ≈θ，故θ≈1.22λ/d。
超分辨成像方法研究现状与进展王超;张雅琳;姜会林;李英超;江伦;付强;韩龙【摘要】光电成像系统受到衍射极限和像元分辨率的制约,但研究者们从未停止过脚步来突破这一限制.本文介绍了近年来开展的各种超分辨成像方法和技术,包括应用于荧光显微成像的受激发射损耗技术、结构光照明技术、光激活定位技术与随机光学重构超分辨成像技术;可应用于显微系统、光存储与眼底成像的光瞳滤波技术与径向偏振光超分辨聚焦技术;应用于空间探测的合成孔径技术、光子筛成像技术、超振荡透镜技术、亚像元技术与焦平面编码技术.主要讨论了以上超分辨方法的原理、实现手段与目前发展水平.%Optical imaging system is limited by pixel resolution and diffraction limit,but the researchers try to solve this problem.Various super-resolution imaging methods and techniques in recent years are introduced,including STED technology,SIM technology,PALM technology and STORM technology for the fluorescence microscopy imaging;pupil filtering technology and radially polarizedsuper-resolution focusing technology for microscope,optical storage and retina imaging;synthetic aperture technology,photon sieve imaging technology,super oscillation lens technology,sub-pixel technology and focal plane coding technology for space detection area.The principle,the implementation means and the current development level of these super-resolution imaging methods were discussed.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2017(047)007【总页数】8页(P791-798)【关键词】超分辨率;衍射极限;空间光学系统【作者】王超;张雅琳;姜会林;李英超;江伦;付强;韩龙【作者单位】长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春 130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春 130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春 130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春 130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春 130022【正文语种】中文【中图分类】TN305.7自从光学显微镜和天文望远镜诞生以来,人们在不断寻求着提高光学分辨率的方法,从而观测到更多物体细节。
舢年6月第36卷，增刊红外与激光工程、，01．36Suppl eI nem In胁rcd a Il d Las er E ngi I l e er i ng J un．2007具有高空间分辨力的双极性绝对式差动共焦检测方法赵维谦，邱丽荣，沙定国(北京理工大学光电工程系，北京100081)摘要：提出一种用于超精密三维微细结构测量的横向光学超分辨、轴向纳米级分辨的绝对式高空间分辨力共焦检测方法，该方法利用超分辨光瞳滤波技术最大程度地改善共焦显微系统的横向分辨力，利用探测器轴向偏置的双探测共焦光路布置和双探测信号归一化差动接受最大程度地改善共焦显微系统的轴向分辨力，最终实现共焦检测系统的高空间分辨力双极性绝对测量。
文中以整形环形光横向超分辨为例，初步验证了提出的高空间分辨力差动共焦扫描检测方法的有效性。
实验表明：当入射激光束波长后632．8哪，测量物镜数值孔径取^傀=0。
85，￡=0．5，ⅣM=6．95时，整形环形光瞳式差动共焦传感器的横向分辨力优于0．2岫，轴向分辨力优于2姗。
关键词：差动共焦；超分辨测量；光瞳滤波器；表面测量光学瞄准系统像倾斜及分划倾斜的测试及测试系统误差分析朱运东，曹维国(长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022)摘要：在光学望远系统中，只要是具有棱镜的光学系统，都有可能存在像倾斜的问题。
对于像倾斜及分划倾斜的测试，目前的测试方法是利用测斜前置镜，测试时需要用眼睛瞄准读数，这强然会引入主观判断误差。
为提高望远系统测量瞄准精度，采用高分辨率C C D经图像处理，由计算机直接给出测量结果，消除了人为主观因素的影响，其测量准确度较高且操作简单。
对像倾斜及分划倾斜的测试原理进行了论述，并对其测试系统进行了误差分析。
关键词：像倾斜；C C D器件；望远系统；分划倾斜。
光学超分辨技术综述学号:SA14009025 姓名：邱金峰摘要：由于无论是源于人类本身对未知世界探索的渴望，还是现代工程技术的各种需要，对微观领域的高分辨率成像都是一个十分重要的研究方向，故本文对国内外光学超分辨技术研究的历史和现状做出综述是十分必要的。
一、背景及意义人类对未知领域的探索永远是促进科学进步的最强大动力.在众多未知领域中我们身边的微观世界无疑是最令人着迷的。
在这一领域中既涉及到生物细胞、遗传基因这些关乎我们自身的重要元素，又涉及到分子结构、基本粒子这些构成我们关于物质知识的核心命题。
也只有对微观世界的深入研究才能让我们回答诸如什么是人类能够观测的最小尺度，宇宙是否存在物质的最小极限这样的物理学中的基本问题。
而研究往往始于观察，成像又是观察的最基本手段。
所以寻找对微观物质高分辨率成像的方法，制造对微观物质高分辨率成像的仪器,就成为了研究微观领域必不可少的首要一环.正是推动科学本身进步这一要求，使科研人员不断地采用各种各样的技术革新来尽可能地提高观测系统的分辨率和有效信息获取量，并尽可能地重建和恢复原始自然图像，以满足人类对未知的微观世界知识获取的渴望。
另一方面，在技术层面上,随着许多新兴的超精密工程学的发展,人们提出了纳米级与亚纳米级分辨率成像的要求。
如在巨大规模集成电路（Giga ScaleIntegration circuits）制造中,已经开始使用32nm工艺，并且正在开发22nm工艺;在纳米技术的研究中，从上世纪七十年代，首先提出使用单分子作为电子器件开始，到现在研制中的各种微纳机电系统，各个研究对象的线度也都在数微米到几纳米之间；而在现代生物科技和现代医学技术的发展中，人们不但提出了对大生物分子在纳米级和亚纳米及三维成像的要求,甚至还希望能对活性样品进行动态检测和显微操作.这就要求图像和数据同步、动态地显示在我们面前。
为达到以上要求，人们应用了光学、微电子、计算机、机械制造、信号处理等各个学科的最新成果，来制造先进的现代成像系统。
激光显微共焦拉曼光谱仪（LaserMicroscopicConfocalRamanSpec。
1928年，印度物理学家C.V. Raman在研究CCl4光谱时发现，当光与分⼦相互作⽤后，⼀部分光的波长会发⽣改变（颜⾊发⽣变化），通过对于这些颜⾊发⽣变化的散射光的研究，可以得到分⼦结构的信息，因此这种效应命名为Raman效应。
以拉曼效应为基础发展起来的光谱学称为拉曼光谱学，属于分⼦振动和转动光谱范畴。
30年代开始，拉曼光谱被⽤作研究分⼦结构的主要⼿段。
后来随着实验内容的不断深⼊，拉曼光谱的弱点（主要是拉曼效应太弱）越来越突出，特别是40年代以后，由于红外光谱的迅速发展，拉曼光谱的地位更是⼀落千丈。
直到 1960 年激光问世并将这种新型光源引⼊拉曼光谱后，拉曼光谱出现了崭新的局⾯。
拉曼光谱由于具有与红外光谱不同的选择性定则⽽常常作为红外光谱的必要补充⽽配合使⽤，可以更完整地研究分⼦的振动和转动能级，更好的解决结构分析问题。
与红外光谱⽅法⽐较，拉曼光谱分析⽆需样品制备、不受样品⽔分的⼲扰、可以获得⾻架结构⽅⾯的信息⽽⽇益受到重视，特别适合⽣物体系的研究。
1. Raman基本原理和仪器应⽤1.1 拉曼效应光散射是⾃然界常见的现象。
晴朗的天空之所以呈蓝⾊、早晚东西⽅的空中之所以出现红⾊霞光等，都是由于光发⽣散射⽽形成了不同的景观。
拉曼光谱是⼀种散射光谱。
在实验室中，我们通过⼀个很简单的实验就能观察到拉曼效应。
在⼀暗室内，以⼀束绿光照射透明液体，例如戊烷，绿光看起来就像悬浮在液体上。
若通过对绿光或蓝光不透明的橙⾊玻璃滤光⽚观察，将看不到绿光⽽是⼀束⼗分暗淡的红光，这束红光就是拉曼散射光。
拉曼光谱仪采⽤的是激光照射待测物质，当⼀束激发光的光⼦与作为散射中⼼的分⼦发⽣相互作⽤时，⼤部分光⼦仅是改变了⽅向，发⽣散射，⽽光的频率仍与激发光源⼀致，这种散射称为瑞利散射。
但也存在很微量的光⼦不仅改变了光的传播⽅向，⽽且也改变了光波的频率，这种散射称为拉曼散射。
