基于双自由光学曲面方法的显微光学切片断层成像照明器设计

摘要

要理解和研究脑功能的运行机制和脑疾病的防治手段，首先需要以细胞分辨水平解析神经网络的组织结构。全脑光学成像技术作为一种全新的技术手段，打破光学在组织中的成像深度限制，具有在全脑范围三维探测特定标记神经结构的能力。由于具有亚细胞分辨能力的物镜有效视场无法覆盖完整脑断面，往往需要采用马赛克扫描拼接的方式来扩展视场。然而，受物镜孔径限制，单视场内照明强度呈高斯分布，视场中心的信号强度高于视场边缘，这降低了在马赛克拼接的完整图像上进行细胞计数、纤维追踪等量化处理时的准确性。为了解决这一问题，本文从照明光能利用率及照明光场均匀性两方面入手，设计了新型照明光路，以提高单个视场的有效均匀成像面积，进而提高全脑光学成像的成像通量。
　　本文首先介绍了结构光照明显微光学切片断层成像系统的组成，并分析了荧光成像中物镜收集荧光的能力。以样本成像面获得均匀照明为目的，分析了结构光照明的条纹投影光路的光束传输特性，对照明条纹的光束性质进行了约束。并在此基础上，进一步研究了结构光照明的条纹调制光路中的光束调制器件对光束传输的影响，得到了为样本成像面提供均匀照明所需的照明光束性质。针对这一限制条件，提出了聚光准直与双自由光学曲面光束整形相结合的思路，为条纹调制器件提供方形、均匀的准直照明光束。
　　本文设计聚光准直器，以提高照明光的光能利用率，为后续扩大有效视场提供足够的照明光强。根据光源出射光束质量，利用非成像光学原理对聚光准直器的输出光束进行了分析，提出了器件的设计要求。利用 ZEMAX软件设计了基于非球面透镜的聚光准直器的初始结构，随后对器件装配做了公差分析，获得了聚光准直器的最终结构。分析其出射光束的发散角在2.5°以内，且光能利用率为100%，满足设计要求。
　　提出使用基于 Monge-Amp?re方程的双自由光学曲面的光束整形器设计，分别调控光束的强度分布和发散角，以获得方形、均匀的准直照明光束。首先获取第一自由光学曲面的初始结构，并建立第一自由光学曲面的Monge-Amp?re方程，利用该初始结构求解该方程；然后建立双自由光学曲面的Monge-Amp?re方程，将第一自由光学曲面结构作为该方程的初始结构并进行求解；使用有限差分法将Monge-Amp?re方程转化为一组非线性方程组，通过牛顿迭代法求解，获得优化后的双自由光学曲面设计。其仿真结果显示目标面照度分布的均匀性为89.26%，照明系统的光能利用率为88.74%，基本达到了设计要求。最后进行了自由光学曲面设计的误差分析。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 荧光标记的自动化全脑神经元显微光学成像方法

1.3 宽场照明不均对全脑光学成像的影响

1.4 本文的主要研究内容

2 照明系统设计要求

2.1 结构光照明显微光学切片断层成像系统

2.2 结构光照明的条纹投影光路分析

2.3 结构光照明的条纹调制光路分析

2.4 本章小结

3 基于ZEMAX软件的聚光准直器设计

3.1 聚光准直器的初始结构设计

3.2 聚光准直器的公差分析

3.3 聚光准直器的最终结构

3.4 本章小结

4 基于自由光学曲面的光束整形系统设计

4.1矩形照明方法

4.2基于椭圆Monge-Ampère方程的双自由光学曲面设计

4.3自由光学曲面实体建模和仿真分析

4.4本章小结

5 总结与展望

5.1 本文主要内容

5.2 主要创新点

5.3 研究展望

致谢

参考文献