在第 4 節(jié)中冠句，我們重點(diǎn)討論了如何在顯微鏡系統(tǒng)中產(chǎn)生和保持短的轻掩、高能量的激光脈沖。雖然這些是搭建 MPLSM 系統(tǒng)的基本方面懦底，目前為止唇牧，我們還沒有討論通過使用激光的光柵掃描焦斑來構(gòu)建圖像的過程。在本節(jié)中，我們將簡(jiǎn)要描述圖像構(gòu)建過程（第 5.1 節(jié)）并概述激光掃描的基本原理（第 5.2 節(jié)）丐重。然后簡(jiǎn)要討論旁軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的局限性（第 5.3 節(jié)）腔召。我們還將討論使用計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)設(shè)計(jì)來優(yōu)化掃描時(shí)聚焦脈沖的空間特性（第5.4 和 5.5 節(jié)），以及如何改進(jìn)FOV 和場(chǎng)曲（第 5.3a 和 5.5 節(jié)）扮惦。最后臀蛛，我們將討論擴(kuò)展到涵蓋提高數(shù)據(jù)采集率的多焦點(diǎn)方法（第 5.4 節(jié)）。
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多光子顯微鏡設(shè)計(jì)實(shí)用指南（11）
5. 中繼系統(tǒng)TheImage relay system
在第 4 節(jié)中，我們重點(diǎn)討論了如何在顯微鏡系統(tǒng)中產(chǎn)生和保持短的桃笙、高能量的激光脈沖氏堤。雖然這些是搭建 MPLSM 系統(tǒng)的基本方面，目前為止搏明，我們還沒有討論通過使用激光的光柵掃描焦斑來構(gòu)建圖像的過程鼠锈。在本節(jié)中，我們將簡(jiǎn)要描述圖像構(gòu)建過程（第 5.1 節(jié)）并概述激光掃描的基本原理（第 5.2 節(jié)）星著。然后簡(jiǎn)要討論旁軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的局限性（第 5.3 節(jié)）购笆。我們還將討論使用計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)設(shè)計(jì)來優(yōu)化掃描時(shí)聚焦脈沖的空間特性（第5.4 和 5.5 節(jié)），以及如何改進(jìn)FOV 和場(chǎng)曲（第 5.3a 和 5.5 節(jié)）虚循。最后同欠，我們將討論擴(kuò)展到涵蓋提高數(shù)據(jù)采集率的多焦點(diǎn)方法（第 5.4 節(jié)）。
5.1 MPLSM系統(tǒng)的圖像構(gòu)建
如第 2 節(jié)所述横缔，MPLSM 與其他成像方式相比的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是它對(duì)混濁（例如生物）介質(zhì)的散射相對(duì)不敏感铺遂。如第 2.3 節(jié)所述，非線性對(duì)比機(jī)制將激發(fā)限制在聚焦焦斑的體積內(nèi)茎刚。這可以實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)檢測(cè)——消除共焦針孔——非線性信號(hào)由非成像探測(cè)器（例如光電倍增管）收集和量化襟锐。由于已知信號(hào)源自于焦點(diǎn)，因此所有收集的非線性光都可以歸因于樣本中的該點(diǎn)膛锭。
為了形成一幅圖像粮坞，通過掃描聚焦于樣本中的焦點(diǎn)來量化每個(gè)體素的非線性信號(hào)強(qiáng)度。一個(gè)簡(jiǎn)單并且直接的方法是初狰，在激光焦點(diǎn)保持靜止的情況下掃描樣本來形成圖像莫杈。但是樣品保持靜止，掃描激光的方法通常更受歡迎奢入，盡管它更難以實(shí)施姓迅，但是這種方案具有卓越的圖像采集速度和樣品穩(wěn)定性崎坊。激光掃描的方式要求在保持以物鏡后背孔徑為中心的情況下埂奈，光束的入射角發(fā)生變化；這樣可以防止漸暈。因此剂陡，激光掃描過程不僅決定了FOV（field of view），而且對(duì)整個(gè)掃描區(qū)域的激發(fā)效率也有顯著影響驼仪。
最簡(jiǎn)單的多光子顯微鏡版本是單焦點(diǎn)掃描感興趣的區(qū)域的MPLSM系統(tǒng)觅闽。雖然已經(jīng)報(bào)道了許多多焦點(diǎn) MPLSM 系統(tǒng)，但我們首先以單焦點(diǎn)系統(tǒng)為例來說明光束傳輸?shù)綐悠返膯栴}聋伦。然后夫偶，我們將討論范圍擴(kuò)大到包括多焦成像技術(shù)，并討論由此類系統(tǒng)引入的一些獨(dú)特問題觉增。
5.2單焦點(diǎn)系統(tǒng)
在這里我們將重點(diǎn)介紹將軸向掃描與橫向掃描解耦的系統(tǒng)兵拢。在該系統(tǒng)中，3維體積圖像是通過橫向平面的順序掃描來收集的逾礁，橫向平面垂直于光軸说铃。因此，橫向掃描是成像的關(guān)鍵嘹履。
為了使物平面上的焦點(diǎn)橫向偏轉(zhuǎn)腻扇，在物鏡后背孔處對(duì)準(zhǔn)直激發(fā)光束施加一個(gè)控制的入射角。如圖17所示砾嫉，在旁軸近似下幼苛，物體平面的偏轉(zhuǎn)幅度（Δ）與物鏡的焦距(f)和相對(duì)于光學(xué)后背孔徑的光軸夾角的入射角（θ）成正比。激光掃描系統(tǒng)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)焕刮，該系統(tǒng)可以在沒有漸暈的情況下舶沿，改變物鏡后背孔徑的空間準(zhǔn)直照明光束的入射角。
可以通過多種方式掃描激光光束的角度配并，包括聲光偏轉(zhuǎn)器 (AOD)暑椰、諧振和非諧振電流掃描鏡、多邊形掃描鏡和微機(jī)電掃描鏡 (MEMS) 荐绝。主要的方法是使用一對(duì)電流掃描鏡一汽，每個(gè)橫向維度使用一個(gè)，在橫向平面中偏轉(zhuǎn)入射光束低滩。圖18所示為針對(duì)一個(gè)橫向維度的示例召夹，其中光軸用虛線表示。在物鏡的后背孔徑恕沫，我們要求光束準(zhǔn)直入射监憎，這樣它就不會(huì)離開孔徑（漸暈），角度隨著掃描儀的旋轉(zhuǎn)而變化婶溯。掃描光學(xué)系統(tǒng)的目的就是將掃描鏡的光束偏轉(zhuǎn)角映射到物鏡的入射角鲸阔。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是使用雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)將掃描鏡圖像中繼到物鏡的后背孔徑偷霉。
像方遠(yuǎn)心是指光闌放置在光學(xué)器件之前， 這樣不同視場(chǎng)角的主光線在焦平面上平行褐筛。與像方遠(yuǎn)心對(duì)應(yīng)的是物方遠(yuǎn)心类少，兩個(gè)系統(tǒng)的串聯(lián)組合構(gòu)成雙遠(yuǎn)心。當(dāng)掃描鏡頭被稱為遠(yuǎn)心時(shí)渔扎，通常意味著鏡頭不僅滿足 F-θ 條件硫狞，而且光闌被放置在掃描設(shè)備上，以確保遠(yuǎn)心性晃痴。
為了構(gòu)建雙遠(yuǎn)心中繼系統(tǒng)残吩，第一個(gè)中繼透鏡放置在掃描鏡之后一個(gè)焦距處，第二個(gè)中繼透鏡放置在物鏡后背孔徑之前一個(gè)焦距處倘核，中繼透鏡之間的距離為二者的焦距之和泣侮。請(qǐng)注意，遠(yuǎn)心區(qū)域位于鏡頭之間紧唱，而其他雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)則在中繼系統(tǒng)的任一側(cè)都是遠(yuǎn)心的活尊。由于中繼透鏡的位置，這種配置被稱為 4f 中繼系統(tǒng)琼蚯。 它們的焦距之間的任何差異都會(huì)導(dǎo)致一定的放大倍數(shù)。
DOI：https://doi.org/10.1364/AOP.7.000276
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