Confocal scanning microscopes are used popularly due to the optical sectioning ability by using pinhole. In this paper, we designed beam scanning optical system in fluorescence confocal scanning microscope. And we proposed and designed the reflecting optical system to enhance better detection performance.
The beam scanning optical system is composed of four lenses which contains two relay lenses, a scan lens, and a tube lens. The proposed reflecting optical system is composed of a objective lens, a spherical lens and a spherical mirror. The reflecting optical system returns the beam propagating backward from illuminated point to the same illuminated point. By returning the beam, the detected intensity was expected to increase. We used the finite ray tracing method to select the each optical component and assign the length between them. Cost function was defined, and the design variables that made the cost function minimum were selected.
The fluorescence confocal scanning microscope with the proposed reflecting optical system had the same resolution with the one without the reflecting optical system. And the intensity was doubled. When the NA of objective lens in reflecting optical system is less than the NA of the collecting lens, the amount of intensity increment became much less than the case that the objective lens in reflecting optical system had the same NA with the collecting lens. And FWHM became larger up to 5%. When the wavelength band of fluorescence of specimen is narrow, it is expected that the proposed optical system has better performance in axial direction. We used the concept of PSF, OTF and the axial response to get these results.
From the experiment, the detection intensity increased and the result well agreed with the expectation by the theory.
공초점 주사 현미경은 광학적 절편 효과 때문에 깊이 분별력이 뛰어나 생의학 분야, 반도체와 LCD 검사등의 분야에서 많이 응용되고 있다. 본 논문에서는 생체 시료 관측이 가능한 형광 공초점 주사현미경의 빔 편향 광학계를 설계하고, 측정 성능을 향상시키는 반사 광학계를 제안하고 설계한다.
빔 편향 광학계는 4개의 렌즈로 이루어져 있으며 각각의 렌즈를 선정하고, 렌즈간의 배치를 결정하기 위해 기하광학에 기반한 유한 광선 추적법을 이용하였다. 유한 광선 추적법을 이용하여 최종면에서 빔이 맞는 위치와 각도를 알아내고 이를 이용하여 측정 성능에 영향을 주는 목적 함수를 선정하고 이것이 최소가 되는 설계변수를 선정하였다. 반사 광학계의 설계에 있어서도 유한 광선 추적법을 이용한여 목적 함수가 최소값을 가지는 설계변수를 선정하였다.
제안되는 반사 광학계는 분해능에는 영향을 주지 않으며 강도만을 향상시킨다는 것을 점 확산 함수의 개녑을 이용하여 알 수 있었다.
실험에서는 반사형 공초점 주사 현미경을 이용한 광축 방향 응답 특성과 표준 시편 실험, 형광 공초점 주사 현미경을 이용한 표준 시편 관찰실험을 수행하였으며, 제안되는 반사 광학계는 이론치와 비슷한 강도 향상 효과를 가졌다.
