锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司专注于发展高端科研仪器集成化，开创了一个崭新的领域，是国内外唯一可以提供完整科研仪器系统集成化的一站式供应商，可为客户提供优质、高效的服务。本期推送的内容是通过一个实际案例介绍光片成像显微镜，帮助读者更好的理解什么是高端科研仪器集成化。
显微镜是人类最伟大的发明之一。在显微镜出现之前，人类对世界的认识局限在用肉眼或借助手持透镜观察。
显微镜把一个全新的世界展现在人类的视野里，人们第一次看到了许多“新的”微小动物和植物，以及从人体到植物纤维等各种物质的内部构造。显微镜还有助于科学家发现新物种，有助于医生治疗疾病。
最早的显微镜是16世纪末期在荷兰制造出来的。两个荷兰眼镜工匠Zaccharias Janssen和他的父亲Hans把一些镜片放到圆形管里，一项重要的发现就这样诞生了。但是由于放大倍率仅有9倍，而且图像有些模糊，所以他们的第一台显微镜只能被认为是放大镜的一种创新，尚不能作为科学仪器使用。
世界上第一台真正意义上的显微镜出现在17世纪晚期，发明者是荷兰的布匹商人、显微镜的先驱人物——列文虎克。他自己磨制出了简易的显微镜，只有一个镜片，可以用手拿着进行观察。列文虎克把这个镜片用螺丝钉连接到一个金属固定器上，做成了世界上第一台实用显微镜。
回望人类探索微观世界的历程，自显微镜的发明至今已有400多年，显微镜发展的历史，是科学革命的历史，是技术创新的历史，是制造技术发展的历史。显微镜是人类科学、技术、工程活动的和谐产物。今天就让我们去了解一个前沿显微成像技术——光片荧光显微镜，同时也给大家介绍一下锐光凯奇利用多轴笼式结构搭建的几款光片显微系统。
荧光显微镜是免疫荧光细胞化学的基本工具，它由光源、滤板系统、光学系统等主要部件组成，是利用一定波长的光激发标本发射荧光，通过物镜和目镜系统放大来观察标本的荧光图像。
传统荧光显微镜的照明方式通常为落射式，即光源通过物镜投射于样本上，达到激发荧光的作用。这种照明方式在一定程度上影响了显微镜的轴向分辨率，因为焦平面上下的样品都会被激发，导致焦平面上下区域的光也进入到相机中，所以图像和背景的反差很小，图像分辨率低。此外，长时间的照明会降低生物的活性，所以很难在接近生理状态的前提下对活体样本进行长时间的三维成像。
光片荧光显微镜采用了不同于传统显微镜的照明方式，使用与成像平面相平行的光片对样本进行照明，这样只有焦平面上的样本被激发产生荧光，焦面上下的样本不受影响，因此图像和背景的反差大，提高了显微镜的分辨率。
要想实现光片显微照明首先要得到光片，光片的产生方式有以下几种：
使用柱透镜是产生光片最简单的方法，在光路中放置一个柱透镜，当光束通过柱透镜后其水平方向上宽度的维度保持不变，竖直方向上由于光经过的透镜厚度不同，所以在高度上会被压缩成平面，然后通过明物镜，在焦面上形成光片，这种光片称为静态光片。光片的厚度由照明物镜的数值孔径（NA）决定，NA值越大形成的光片越薄，相应的分辨率也越高。但是并不是NA值越大越好，NA值越大带来的照明范围就越小，需要对较大的样本进行成像时就不能完全的将样本照明。
实现静态光片较容易，存在的问题是照明不均匀且光强沿传播的方向逐渐减弱。因此目前大部分的光片显微系统已经淘汰了这种产生光片的方法，取而代之的是使用扫描透镜或者摆镜将激发光快速扫描从而形成光片。相较于静态光片，扫描光片的照明变得更加均匀。如果使用高斯光束作为激发光，其产生的光片厚度和长度是相互制约的，分辨率还是会受到约束，但是如果用贝塞尔光束取代高斯光束会提高系统分辨率。贝塞尔光束理论上是非衍射光束，与高斯光束相比，它的截面直径小得多，一般< 1 µm，传播时截面轮廓和光强都保持不变；同时它还具有自愈特性，经过散射组织后，光束形状的失真很小。贝塞尔光束可由锥透镜或空间光调制器产生。
图5 扫描光片
利用贝塞尔光束作为激发光的光片也存在问题，当光片越薄的时候，旁瓣的能量会越高，这样导致非焦平面上的样本被激发，降低分辨率，增大了光毒性。使用空间光对入射的光束进行整形，让照明物镜发出的激发光形成并行排列的多束贝塞尔光束，这样既减少了扫描透镜的使用、提高了系统的分辨率又降低了光毒性。
光片显微镜作为生物学领域的重要分析仪器，近年来广受关注和发展。锐光凯奇的专利产品多轴笼式结构因其具有：有基准、稳定、简洁、一体化、可以实现任意光路角度的转折等诸多优点，所以使用多轴笼式结构搭建一套高度集成化和高稳定性的光片显微系统是不困难的。笔者在锐光凯奇的实验室使用标准件已经搭建出了三套光片显微系统，其中有静态光片系统、扫描光片系统和多物镜光片系统。
将两个物镜成直角放置在样品的上部，每个物镜与水平面成45度。用一个物镜产生光片，另一个物镜成像。对于双视图系统，两个物镜的作用相反，从垂直方向收集另一个物镜的图像。这两个图像数据可以通过计算机融合得到具有各向同性分辨率的三维图像数据集，另外一个物镜的视图就克服了轴向分辨率较差的问题。系统产生光片的方式是使用柱透镜来产生，通过照明物镜后在成像物镜的焦平面上产生光片，被激发的样本经过成像物镜在相机上成像。
该系统为了获得均匀的照明以及薄的光片，使用了贝塞尔光束作为激发光，并且在扫描透镜的作用下形成光片激发焦平面样本然后进行成像。光路的走向为:激光器出射的激光经过滤波和扩束后到达空间光调制器（图8中蓝色器件），被空间光调制器调制成贝塞尔光束，然后经过扫描透镜后形成光片照明样本。该系统目前正在研发中，光路的结构已经基本定型，大部分的光路调节已经完成，只要加上扫描透镜就可以正常工作。
只用一个照明物镜和一个成像物镜的光片显微系统最大的问题是照明不均匀，光强会沿着传播方向逐渐减弱。为了解决这个问题，有效视野只能选择相对均匀的照明范围，因此样品必须做至少四次90°旋转，成像速度很慢，而且还要再使用复杂的算法进行后处理，很容易产生伪影。为了减少伪影的出现和缩短成像时间，采用多个照明物镜提供多个光片照明，使得在同一时间在不转动样本的情况下可以多个角度对样本成像，大大缩短成像时间且避免了旋转样本时造成的伪影现象。目前该系统还是一个概念系统，后期会给大家推送该系统的研发进展。
目前搭建的三套光片显微镜中静态光片系统已经可以正常使用了，但是由于没有合适的样本来进行实验，所以挑选了一个生物样本进行实验，实验结果如下：
视频中由于是使用手动让光片进行扫描的，并非匀速运动，所以看到的视频有点卡顿，后期将使用电动位移台进行扫描。
本期内容通过光片显微成像系统介绍了如何使用集成化的理念搭建实际系统，所搭建的系统均采用锐光凯奇的专利产品-多轴笼式结构，后期会推出更多的案例帮助大家理解和应用这个理念，满足生产实际中的需求。
锐光凯奇的产品属于骨架产品，可将各类光电相关产品融合到实际的仪器系统中，例如：激光器、LED 光源、光电接收器、光栏、旋转和移动部件（包括纳米移动和控制）、空间光调制器SLM、数字微镜阵列DMD、光谱仪、显微镜物镜、滤光片及各类光学元件等等，因此有能力引导客户接受系统集成化的新理念；同时也真挚邀请相关的企业合作，为锐光凯奇的产品配套，为中国的光学事业贡献各自的力量。
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