圖 1 顯示了比較中包含的六種光片類型的示意圖。利用照明物鏡后焦平面電場(chǎng)的幅度和相位來模擬樣品體積中光束的強(qiáng)度分布。展示了光束掃描或光片抖動(dòng)產(chǎn)生的光片在照明和檢測(cè)軸（YZ）以及掃描軸和檢測(cè)軸（XZ）上的截面。

光片截面：

• YZ 軸：沿照明和檢測(cè)軸的截面

•  XZ 軸：沿掃描軸和檢測(cè)軸的截面

六種光片類型

1、高斯光束光片

簡(jiǎn)介：激光理想情況下發(fā)射高斯光束，高斯光束的強(qiáng)度分布沿徑向方向遵循高斯分布，并在傳播方向上保持這種分布。

生成方法：通過圓柱透鏡生成，或通過在檢測(cè)物鏡的焦平面掃描高斯光束生成。

特點(diǎn)：這種光片類型最為常見，具有保守的強(qiáng)度分布。

2、聚焦平頂光束光

簡(jiǎn)介：通過均勻照明物鏡的后焦平面生成，焦平面中的強(qiáng)度分布稱為“艾里盤”。

生成方法：擴(kuò)展高斯光束，使其直徑遠(yuǎn)大于物鏡后焦平面。

特點(diǎn)：更多的光以較大的角度進(jìn)入焦點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)更緊的聚焦，但代價(jià)是產(chǎn)生附加的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

3、貝塞爾光束晶格光片

簡(jiǎn)介：等間距貝塞爾光束的相干疊加形成的光片。

生成方法：根據(jù)光束間隔的距離，產(chǎn)生不同的干涉圖樣，如方形晶格和六邊形晶格。

特點(diǎn)：通過調(diào)整參數(shù)b，可以在主瓣厚度和光學(xué)切片之間進(jìn)行權(quán)衡。

4、艾里光束光片

簡(jiǎn)介：具有“香蕉狀”彎曲形狀的光束，通過對(duì)高斯光束施加三次相位生成。

生成方法：例如，使用空間光調(diào)制器。

特點(diǎn)：具有自重構(gòu)特性，可以在散射或吸收障礙物后恢復(fù)其初始強(qiáng)度分布。

5、球差光束光片

簡(jiǎn)介：當(dāng)用于聚焦平行光的物鏡用于聚焦散焦或聚焦光時(shí)，焦點(diǎn)遠(yuǎn)離物鏡的本地焦平面，產(chǎn)生球差光束。

生成方法：通過徑向依賴的雙二次相位掩模模擬。

特點(diǎn)：唯一一個(gè)在沿照明軸的剖面不對(duì)稱的光束。

6、雙光束光片

簡(jiǎn)介：由兩個(gè)光束（“子光束”）聚焦通過物鏡，然后相對(duì)于彼此和物鏡的光軸以一定角度傳播，并在物鏡的焦平面產(chǎn)生干涉圖案。

生成方法：通過分裂激光光束，將兩個(gè)子光束對(duì)稱地送入后焦平面。

特點(diǎn)：生成一個(gè)光片堆棧，中央和最強(qiáng)的光片放置在檢測(cè)透鏡的焦平面上，輔助光片照亮平行平面。

圖 1 通過展示不同類型光片在樣品體積中的強(qiáng)度分布，比較了這些光片在實(shí)際應(yīng)用中的效果和特點(diǎn)。通過對(duì)比，可以更直觀地了解每種光片類型在特定應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。
 

高斯光束

簡(jiǎn)單高效的經(jīng)典選擇

高斯光束以其生成和控制的簡(jiǎn)便性著稱。通過標(biāo)準(zhǔn)的圓柱透鏡或聚焦透鏡即可生成高斯光束，光束能量集中在中心，呈高斯分布。

高斯光束在軸向分辨率方面表現(xiàn)出色，能夠清晰分辨樣品中的細(xì)節(jié)。其單一主瓣結(jié)構(gòu)減少了成像中的背景噪聲，提高了圖像對(duì)比度。在厚樣品中成像時(shí)，高斯光束產(chǎn)生的散射偽影較少，圖像清晰度更高。因此，對(duì)于需要高分辨率和高對(duì)比度、光敏感或標(biāo)記密集的樣品，高斯光束是理想的選擇。

 

貝塞爾光束

大視野成像的利器

貝塞爾光束通過相位調(diào)制裝置生成，具有自重建特性，能夠在遇到障礙后重建其初始強(qiáng)度分布。這使得貝塞爾光束在較大范圍內(nèi)保持高分辨率成像成為可能。

貝塞爾光束在大視野范圍內(nèi)提供高分辨率成像，特別是在雙光子激發(fā)下，其軸向分辨率顯著提高，適合三維大尺度樣品的成像。然而，貝塞爾光束的旁瓣結(jié)構(gòu)可能引入更多背景信號(hào)，降低圖像對(duì)比度。對(duì)于需要在大范圍內(nèi)保持高分辨率成像的實(shí)驗(yàn)，如三維大尺度樣品成像，貝塞爾光束是最佳選擇。

 

Airy光束

復(fù)雜環(huán)境中的成像專家

Airy光束通過施加立方相位調(diào)制生成，具有“香蕉”形的彎曲形態(tài)和自重建特性，能夠在遇到散射或吸收障礙時(shí)部分恢復(fù)其初始形態(tài)。

Airy光束在復(fù)雜環(huán)境中成像表現(xiàn)優(yōu)異，特別是在高散射介質(zhì)中。盡管其旁瓣增加了光片厚度，可能降低圖像對(duì)比度，但在特定應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)依然明顯。Airy光束適用于需要在復(fù)雜環(huán)境中成像的實(shí)驗(yàn)，尤其是在高散射介質(zhì)中的應(yīng)用。

 

晶格光束

高時(shí)空分辨率的理想選擇

晶格光束是貝塞爾光束的衍生，利用多個(gè)貝塞爾光束的相干疊加形成。其優(yōu)勢(shì)在于提供了更高的時(shí)空分辨率和更好的光片均勻性。

這種光束能夠在較大的視野范圍內(nèi)保持一致的分辨率，但生成復(fù)雜，需要精確的光學(xué)控制。對(duì)于需要高時(shí)空分辨率的實(shí)驗(yàn)，如觀察細(xì)胞內(nèi)部動(dòng)態(tài)過程，晶格光束是理想選擇。

 

聚焦平頂光束

均勻照明的可靠選項(xiàng)

聚焦平頂光束通過均勻照明背焦平面生成，光束在焦平面上形成均勻的亮斑，通常稱為Airy盤。

這種光束在軸向和橫向分辨率之間提供了良好的平衡，適用于需要均勻照明的實(shí)驗(yàn)。雖然生成相對(duì)復(fù)雜，但在需要高均勻性的成像應(yīng)用中，聚焦平頂光束表現(xiàn)出色。

 

雙光束

靈活調(diào)控的成像工具

雙光束通過兩個(gè)相互干涉的光束生成，能夠形成交替的亮暗條紋結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在光片顯微鏡中生成多個(gè)平行光片，增加了成像的靈活性。

雙光束適用于需要高分辨率和大視野成像的應(yīng)用，尤其是需要頻繁調(diào)節(jié)光束參數(shù)的實(shí)驗(yàn)。在復(fù)雜樣品的三維成像中，雙光束能夠提供獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

 

球差光束

應(yīng)對(duì)折射率失配的利器

球差光束通過施加球面相位調(diào)制生成，能夠在折射率失配的情況下保持較長(zhǎng)的焦深。其優(yōu)勢(shì)在于在不同介質(zhì)中保持一致的成像質(zhì)量。

對(duì)于需要在不同介質(zhì)中成像的實(shí)驗(yàn)，尤其是需要在透明介質(zhì)和高折射率介質(zhì)之間切換的應(yīng)用，球差光束是理想選擇。

推薦與結(jié)論

綜合考慮不同光束的特性和優(yōu)勢(shì)，高斯光束以其高分辨率和高對(duì)比度，適用于大多數(shù)成像應(yīng)用；貝塞爾光束在大視野高分辨率成像中表現(xiàn)出色，適合三維大尺度樣品；Airy光束在復(fù)雜環(huán)境中成像具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；晶格光束、聚焦平頂光束、雙光束和球差光束則在特定應(yīng)用中提供了不可替代的優(yōu)勢(shì)。

選擇合適的光束類型，將幫助研究人員獲得最佳的成像效果，從而更好地觀察和研究活體培養(yǎng)。光片顯微鏡的光束選擇不僅是技術(shù)的選擇，更是科研成功的關(guān)鍵。