显微镜是一种基本的技术，用于分析太小而不能被放大的样品。它被用于多种科学，从生物学、医学、化学到人类学，以及任何有小样本的科学。
早期的显微镜是简单的仪器，只有几个光学元件。随着方法的改进，分辨率和对比度显微镜可以提供。荧光显微术是显微术的一个活跃领域。荧光是在19世纪50年代由约翰·弗雷德里克·威廉·赫歇尔(著名天文学家威廉·赫歇尔的儿子)发现的，到20世纪初，卡尔·蔡司引入了第一架商用荧光显微镜。
这些早期系统的基本概念仍然被广泛使用并不断发展。像共聚焦显微镜、双光子显微镜和其他许多技术都依赖于荧光显微镜的基本原理。
在本文中，我们讨论了在研制扫描荧光显微镜时的设计注意事项。我们从一些基本定义开始，然后讨论如何使用现成组件和定制组件设计系统。
基本体系结构
扫描显微镜
在激光扫描显微镜中，扫描可以通过不同的方式实现。一是在保持光学固定的同时，在x-y方向(有时是z方向)移动样本。这可能会把图像的分辨率限制在移动舞台的机械性能上。
另一种技术是在扫描透镜的后焦平面上放置一个可以旋转几度的镜子。这种可移动的镜子可以用压电元件非常精确地控制。为了产生扫描光束，一个典型的系统将有一个扫描透镜(靠近扫描镜)，一个管透镜，和一个物镜。扫描镜放置在扫描透镜的后焦距处，扫描透镜的前焦平面与管透镜的后焦平面重合(形成一焦点望远镜)。管透镜然后成像扫描镜进入物镜瞳孔，然后到样品。使用该系统的扫描显微镜的设计需要仔细考虑防止不必要的像差和样品的适当照明。需要在物镜NA和传输功率之间达成妥协。虽然可以使用现成的组件，但改进性能可以通过使用定制光学获得。
设计过程中一个重要的细节是选择一个扫描镜包括其设计参数，是单轴还是双轴，以及运动范围和频率。所有这些都是重要的参数，将影响其他光学元件的选择。我们已经建立了线性和双轴客户已将扫描镜集成到扫描显微镜系统中。
荧光显微镜
荧光显微镜是一种特殊的显微镜，用于检测样品中生物分子的存在。顾名思义，它是基于荧光的。简单地说，荧光是一种光发射，在这种光发射中，样品以特定的频率吸收光(因此具有特定数量的能量)。吸收的能量激发样品中的电子，当电子回到更稳定的状态时，它们发出的光的频率比吸收的低。在处理生物样品时，它是一种必不可少的仪器，因为它可以检测浓度非常低的分子。图1是一个简单的荧光显微镜的示意图。
荧光显微镜。派生作品:Henry Mühlpfordt(谈话)
在光学元件方面，荧光显微镜需要非常强的光源。氙弧灯、汞蒸气灯、激光和大功率led只是可能的光源的几个例子。在光源之后，我们有一个滤光片(通常称为激发滤光片)，只有一个非常特定的波长通过。从这个滤镜，我们进入一个二向色镜。分色镜对两种不同波长有一个非常特定的透射和反射系数:它们允许一个波长通过，同时反射另一个波长。在我们的例子中，我们将反射来自激励滤波器的光，这束光将被透镜聚焦成一个样本。
然后样品被这个特定的波长激发，荧光在我们试图检测的生物分子中发生。生物分子因荧光而发出的光再被透射回二向色镜。在第二次发射时，发射的光通过镜子，然后通过第二个滤光片(这个叫做发射滤光片)，然后到达目镜或相机。
如果激发/发射滤光片和二向色镜的正确组合可用，就可以用不同波长激发样品并获得生物分子的彩色图像。虽然需要大量的设计工作来获得适当的照明，但像差需要在每个波长上进行校正。
也有可能设计一个扫描荧光显微镜。一个很常见的例子是双光子扫描显微镜或共聚焦显微镜。在本文的其余部分中，我们将尝试在使用现成的光学组件和使用定制的光学组件之间进行折衷，以及模拟、机械设计参数和原型设计。
现成的组件与定制的光学
物镜和扫描透镜对整体成像性能有很大影响。虽然可以使用现成的扫描透镜(通常是消色差双透镜)，但这些组件的衍射沿其全视场不受限制。他们通常引入几何像差和曲面图像。其中一些可以通过使用高质量的物镜来平衡扫描透镜的光学性能来纠正。在选择合适的管状透镜时需要特别考虑。如果扫描透镜上的光束直径增加(尽管衍射极限也会降低)，性能也会得到改善。使用现成组件的一个可能选择是50mm FL消色差(如Thorlabs的AC300-50-050-B)，带有125 mm FL管镜头和奥林巴斯XLPLN25x物镜。
通过改进扫描透镜和管透镜的设计，可以提高衍射极限范围，减小系统的像差。通过对光源和镜头材料的精心选择，改进的很简单消色差紧身上衣有了四个元素的镜头，或者增加了额外的光学元件，与现有的同类镜头相比，它有可能做出改进。
Zemax档案建模
Zemax档案建模从概念开发到原型测试，贯穿整个设计过程。
一旦定义了显微镜的初始规格，我们就可以开始使用现成的组件起草第一份草案，并根据像差和MTF分别描述每个组件的特性。使用Zemax，我们可以用黑盒文件建模现成组件的性能，并评估我们离设定的目标还有多远。使用定制组件生产原型与使用现成组件生产原型的成本之间存在着一种取舍。在尝试使用定制组件之前，牢记客户端的性能需求和财务状况是至关重要的。
然后我们可以开始一次优化一个组件。管状透镜和扫描透镜是首选。我们想要模拟和优化整个光运动范围内的任何设计，而不仅仅是镜头的中心部分。一个好的设计，当光束靠近透镜边缘而不是中心时，会呈现出类似的优点。一般来说，在显微镜设计中，我们会特别小心地设计一个比其他设计参数高对比度和高分辨率的系统。
在这一阶段，我们做了一个公差研究，这将帮助我们查看性能限制和制造需求，这将影响原型和生产成本。
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一旦元素的布局确定，光学工程师将制定一个位置和透镜元素相对于彼此的公差列表。例如，倾斜，浓度，气隙都会对光学质量产生影响。
光学布局被传递给光学机械工程师，他们将使用ProE或Solidworks等程序来设计结构来容纳这些元素。
还讨论了热管理和杂散光预防等问题光电子的机械工程师，光学工程师和应用专家。
典型的输出包括整个系统的实体模型和显微镜内每个元素的零件制造图纸。
