光学教学装置选型指南（下）：从显微成像、光镊到量子光学

今天继续帮大家梳理显微成像与光操控方向常用的8套光学系统教学装置，含显微成像、断层成像、立体显示，以及光镊与光操控。

同时也为大家汇总了6套量子相关最新光学系统（麓邦商城即将上线），涵盖量子爆破、笼式共聚焦等实验，可以满足实验室在多领域研究的装调、测量需求。看看哪些适合进你的课堂~

 

明确教学条件

对做光学实验的教师、学生以及工程师而言，一个合适系统的选择需要比较成像与操控能力，还要确认能完成哪些操作、获得什么数据，以及现有实验室能否满足装调与测量条件。下文按这些问题梳理各套装置的教学用途。

课程目标：先确定实验是用于现象演示、定量测量，还是完整的系统搭建与数据分析。显微成像方向要区分“看结构”与“测指标”：前者重在样品与光路可视性，后者要求能验证分辨率、测出力值或重建图像。目标不同，对开放程度、测量精度和实验时长的要求也不同。

学生基础：显微镜光路与偏振原理适合基础课；SIM 超分辨、OCT 与光镊涉及频域重建、低相干干涉和光阱标定，更适合高年级本科生；即将发布的量子光学实验需要学生已具备量子力学基础，适合研究生课程或拔尖实验班。

教学组织：需要同时考虑单组人数、每次课时、教师指导强度和复位效率。开放式系统有利于理解光路，但也需要为对准和排故预留时间；SIM、OCT 等前沿系统对环境振动和暗室条件有要求，规划时应一并确认。

实验结果：如果课程考核强调数据分析，应优先确认装置能否输出可量化结果：分辨率验证数据、光阱刚度标定曲线、OCT 断层图像、干涉条纹的拓扑荷读数或符合计数统计，以及是否提供原始数据和实验手册。

十四套系统，快速对照

显微与三维成像：从清晰成像到断层与立体显示

光作为观测手段，可用于显微成像、断层扫描与立体显示。以下五套装置对应这一方向，覆盖从本科显微成像基础课到科研级超分辨与层析成像的进阶内容。

 

光学显微镜教学系统

显微镜光路的设计依据，可以从两个关键结构理解：无限远校正光路让物镜出射平行光、经管镜再成像，便于在光路中插入分光、滤光等模块而不破坏成像条件；科勒照明将光源的像成在物镜孔径光阑处，而非样品面上，从而保证视场照度均匀、不出现光源本身的结构。

系统采用模块化导轨结构，可更换不同数值孔径的物镜（标配 10× ADL ，NA 0.25，工作距离 6.2 mm），观察景深与分辨率随数值孔径的变化，验证分辨率随NA 增大而提高的趋势（d ≈ 0.61λ/NA，适用于明场等非相干照明；相衬与暗场属部分相干照明，需注意判据不同）；成像由 GigE 接口 CMOS 相机（3072×2048）采集。

实验内容：调节科勒照明并观察视场均匀性与杂散光的变化；更换物镜并比较景深与分辨率随数值孔径的变化，验证 d ≈ 0.61λ/NA 的分辨率估计；观察生物切片样品并采集图像，可结合相衬、暗场配件观察透明样品，并利用标配荧光微球样品开展荧光成像观察等。

选型提示：重点核对可选物镜种类与数值孔径范围、照明配件（相衬等）是否随机配套、相机接口与像元尺寸、导轨平台的扩展空间。

 

图1 光学显微镜教学系统

 

图2 相衬成像（口腔上皮细胞）图像

 

自组建显微镜系统

 

自组建显微镜采用模块化开放架构：出厂提供预配置光路，含 LED 落射照明、三目镜筒、五孔物镜转盘（RMS 螺纹）与 C-Mount 相机接口；同时开放全部光路与元件，可按实验需求拆装、重组模块，或围绕物镜下方的敞开空间搭建自定义光路。三目镜筒支持目视观察与相机成像同时进行。

模块的拆装与调整过程中，物镜位置、成像面、孔径光阑与视场光阑各自的作用均可直接观察与验证。系统既支持在预配置光路上开展明场、反射光或单荧光团成像实验，也支持按教学需要重组光路。

实验内容：沿预配置光路逐项拆装模块，确认物镜、镜筒、光阑与相机在成像中的作用；完成明场、反射光与单荧光团成像；更换滤光片立方内的光学件，观察成像方式随之改变；再重组光路，完成自定义成像实验。

选型提示：这类系统适合以“学生自己搭出显微镜”为目标的课程。选型时应确认预配置光路的完整程度（是否含相机等成像部件）、可选模块清单、装调所需课时，以及教师指导与课堂复位的时间成本。如需大范围扫查、电动对焦或自动切换物镜，可考虑同系列电动型。

 

图3 自组建显微镜

 

SIM 超分辨荧光成像系统

结构光照明显微（SIM）用具有周期条纹结构的光照明荧光样品，条纹与样品的空间结构叠加产生莫尔条纹，把原本落在OTF 横向截止频率之外的高频信息搬移至可探测频段；再经多相位、多角度采集，在频域将移位分量反移回原位并将复原后的频谱外推拼接，使成像带宽扩展至约 2 倍，从而获得横向分辨率约为衍射极限 2 倍的图像。本系统横向分辨率 140 nm（561 nm 激发光），原始帧采集速率最高 200 fps（对应单帧 5 ms），超分辨重建后的出图速率取决于所需相位数、角度数与重建耗时。分辨率增益依赖于条纹对比度：系统通过无源偏振控制模块实现物镜后焦面 >40:1 的偏振消光比，原始图像 MCNR >4.0，以保证重建有效。

系统把结构光照明的完整流程开放给学生：结构光条纹由 DMD 生成、由 sCMOS 科学相机采集，配压电位移台实现焦距精调与样本定位，逐环节可操作、可复现。SIM 光毒性低、对荧光探针无特殊要求，在时间与空间分辨率间平衡较好，因而适合活细胞动态观察。

实验内容：调节结构光照明并采集莫尔条纹；完成多角度、多相位图像采集与频域重建，比较超分辨结果与宽场图像的差异；可开展活细胞动态成像、多色成像与三维成像等应用演示。

选型提示：系统对环境振动敏感，需配置隔振平台，并涉及荧光样品与激光安全。选型时确认物镜的 NA、放大率与激发波长配置、荧光样品供应、重建软件的算法透明度与参数可调范围、重建耗时与算力要求，以及每组学生完成完整流程所需课时。该系统更适合生物医学、显微成像方向的高年级课程。

 

图4 SIM超分辨荧光成像系统

 

图5 超分辨荧光成像效果图

谱域 OCT 系统

谱域 OCT（SD-OCT）基于低相干干涉原理：只有光程差落在光源相干长度范围内的样品深度层，其背向散射光才能与参考光发生干涉，实现深度方向的选择；相干长度与光源带宽成反比，带宽越宽、相干长度越短，轴向分辨率越高。系统基于迈克尔逊干涉结构，由中心波长 840 nm 的低相干 SLD 光源、光纤耦合器、参考臂与样品臂、光谱采集模块和处理软件组成。参考臂为固定结构，各深度信息以不同频率的条纹调制形式编码在干涉光谱中（浅层低频、深层高频），由光谱仪一次并行采集，经 FFT 一次运算即得整条深度剖面，无需深度扫描。轴向分辨率小于 7 μm（由实际情况决定），可在不破坏样品的前提下获取组织内部的断层图像。

系统开放干涉臂结构，可观察低相干干涉与光谱域深度分辨的实现方式，以及光源相干长度对轴向分辨率的约束。

实验内容：调节参考臂位置以设定零光程差面，在干涉光谱中观察条纹调制随样品深度的变化；调整样品位置并识别 OCT 图像伪影；采集生物组织等样品的断层图像并分析深度分辨率；经 FFT 完成三维重构，并开展边界分割、空间配准与图像识别等图像处理；对照眼科、心血管科、皮肤科、工业检测等应用方向讨论层析图像的解读。

选型提示：选型时重点确认中心波长与轴向/横向分辨率、成像深度与扫描范围、成像速度、光谱采集与数据处理软件、样品台适配方式。OCT 应用方向覆盖医学（眼科、心血管、皮肤科）与工业检测，可按课程出口选择实验样品与案例分析。

 

图6 谱域OCT教学系统

 

图7 OCT实验采集图像

 

偏振 3D 成像教学实验装置

偏振 3D 成像利用偏振态或波长作为“通道标签”：把两幅不同视角的图像分别送入左右眼，大脑从两眼视差中重建深度，无需结构光投射或双目立体匹配。本装置覆盖偏振光学的核心原理——马吕斯定律、λ/4 波片相位延迟，并以此实现立体显示，支持分色法、线偏振法与圆偏振法（RealD）三种立体投影方案。

三种方案以不同的物理量作为通道：分色法以波长为通道，用红青光（互补色）滤色眼镜分离左右眼图像，实现简单但会丢失颜色信息；线偏振法以偏振方向为通道，用线偏振片分离，但要求观察者保持头部正立，倾斜观看会产生串扰；圆偏振法以旋向为通道，在线偏振片后加 λ/4 波片使两路图像分别成为左旋与右旋圆偏振光，观察眼镜同样由线偏振片与 λ/4 波片组成，对观察角度不敏感，适合多人多角度观看（RealD 影院即采用此方案）。

实验内容：用起偏器与检偏器验证马吕斯定律，并观察 λ/4 波片引入的相位延迟；；搭建立体投影光路，用相应的观察眼镜（分色法用红蓝滤色眼镜，线偏振/圆偏振方案用偏振眼镜）观察立体影像，并比较三种方案分离左右眼图像的机制差异。

选型提示：适合作为偏振光学入门实验，以及自动化、计算机视觉方向课程中偏振成像与立体显示的物理基础平台。选型时确认光源配置（石英卤钨灯与 LD 激光模组）、立体投影方案配套件与观察件数量。

 

图8 偏振3D成像教学实验装置

图9 偏振3D成像教学实验

光镊与光操控：从捕获微粒到传递角动量

光携带动量与角动量。聚焦光束与微粒相互作用时，梯度力与散射力的合力可将微粒稳定在焦点附近；携带轨道角动量的光束还能把角动量传递给微粒，使其绕光轴旋转。以下三套装置覆盖光操控方向从基础捕获到角动量传递的教学实验。

 

基础版单光束光镊系统

一束强聚焦的激光在焦点附近形成梯度力势阱：当光束对微粒的梯度力大于散射力时，微粒偏离中心所产生的恢复力会把它拉回阱内，从而被稳定捕获在焦点附近。这种力作用在微米级微粒上，量级仅约皮牛。势阱深度远高于热运动能量，微粒被约束在远小于焦点尺度的范围内，这正是它能对抗布朗运动、稳定驻留的原因。

系统由 665 nm 激光模组、扩束准直模块、短波通二向色镜模块、高数值孔径物镜（100× 油浸，NA 1.25）、载玻片样品与三轴位移台、白光LED照明、观测相机等模块组成，样品采用直径 4 μm 的二氧化硅微球（另有 4 μm 聚苯乙烯微球可选）。

实验内容：完成微粒的激光捕获与三维操控；记录微粒在阱中的布朗运动轨迹，用均分法（或功率谱法）反推光阱刚度；注意：均分法与功率谱法均要求亚像素质心定位能力——4 μm 微球在 100× 物镜、2.2 μm 像元下等效物面尺度约 22 nm/pixel，位移量级小于一个像元，需软件做亚像素定位。

选型提示：核对激光波长与功率调节范围、物镜与样品台的调节自由度、微球样品等耗材的补充供应、观测相机的帧率与像元尺寸；若课程要求力值标定，应确认是否有电动/压电驱动及轨迹分析软件的导出能力。

 

图10 基础版单光束光镊系统


图11 光镊实验

 

基于涡旋波片的光镊系统

 

这套系统在基础光镊光路的激光—物镜之间加入了一组偏振调控与光束变换模块，以 532 nm 绿光激光为光源。激光先经扩束模块扩大光斑以匹配涡旋波片的通光口径，再依次经过偏振片与 λ/4 波片，最后由涡旋波片转换为携带轨道角动量的涡旋光束，并经缩束模块缩小光斑以充满物镜后瞳。旋转 λ/4 波片即可在 ±m 间切换涡旋光束的拓扑荷。涡旋光束将轨道角动量传递给被捕获的微粒，驱动其绕光轴旋转。

实验内容：完成偏振调控、轨道角动量传递与光操控三个环节；观察微粒的捕获与旋转，比较不同偏振态下光束形态与微粒运动状态的变化。

选型提示：适合已有光镊实验基础、或直接以角动量传递为教学目标的课程。选型时确认涡旋波片的拓扑荷范围（拓扑荷数越大，同时捕获旋转的粒子越多、旋转速度越快）与切换方式、激光功率与防护配置，以及与基础版光镊在光路与物料上的共用性。

 

图12 基于涡旋波片的光镊系统


图13 基于涡旋波片的光镊实验

涡旋光束干涉系统

涡旋光是一种携带螺旋相位的特殊光束。这套系统基于马赫-曾德尔干涉结构，以涡旋波片为核心器件产生涡旋光束（标配拓扑荷 1），采用 520 nm 激光光源，在 30 cm×60 cm 面包板上完成光路搭建。

系统中一个光臂为涡旋光束模块，另一光臂为平面波或球面波模块：激光先经两片偏振片调节强度并整定为线偏振，由两个分束立方与两个反射镜构成干涉仪；涡旋臂中先用 λ/4 波片将线偏振转换为圆偏振，再经涡旋波片生成涡旋光；另一臂则可用透镜将平面波转换为球面波。旋转 λ/4 波片切换圆偏振的旋向，即可使涡旋光的拓扑荷符号翻转，干涉图样随之反向。

实验内容：搭建马赫-曾德尔干涉光路；完成球面波或平面波与涡旋光的干涉，从条纹分叉或螺旋特征读取拓扑荷；改变两片偏振片的相对角度观察干涉对比度的变化；更换不同拓扑荷的涡旋波片（系统标配拓扑荷 1，其他规格需另行选配），比较不同拓扑荷下的干涉图样。

选型提示：适合涡旋光表征与干涉测量方向的进阶实验。选型时确认激光工作波长下涡旋波片可提供的拓扑荷范围、干涉臂的调节机构、相机与图像分析工具。涡旋光在量子通信、光镊、高维度信息编码等方向有应用，可按课程出口衔接后续实验。

 

图14 涡旋光束干涉系统


图15 涡旋光束干涉实验

量子光学及综合实验装置

以下2款为量子光学实验系统、4款为综合与拓展装置：量子擦除与量子爆破把前沿的量子测量搬进教学实验室；几何光学综合与物理光学综合补上平台化基础实验；光纤激光与笼式共聚焦则延伸到激光原理与科研级成像（系统即将在麓邦商城上线，具体配置与参数以产品页信息为准）。

量子擦除实验

基于自发参量下转换产生的纠缠光子对，在干涉光路中对光子的路径信息进行标记与擦除：标记时符合计数中的干涉条纹消失，擦除后条纹重现。实验包含纠缠源调节、符合计数测量与路径信息的标记、擦除操作。

量子爆破实验

这套装置复现 Elitzur-Vaidman 无相互作用测量：不“触碰”物体即可探测其存在，展示量子测量与经典直觉的差异。

几何光学综合实验装置

折射定律、薄透镜成像、望远镜与显微镜光路是几何光学课程的核心实验，此前分散在不同单台装置上。这套装置将它们集成到一套模块化导轨平台，元件可自由组合、快速切换。适用于应用光学、工程光学的基础实验课程。

物理光学综合实验装置

干涉、衍射、偏振是物理光学的三类基础实验。这套装置将它们整合到一个可扩展平台上，实验项目以模块化方式配置，可按课程进度逐步叠加。适用于物理光学课程的实验教学。

光纤激光教学实验装置

光纤激光器是工业与通信的主流光源，但商用激光器几乎都是封闭整机。这款教学装置从泵浦耦合、掺稀土增益光纤到激光输出做全链路开放设计。适用于光纤激光、激光原理课程。

笼式共聚焦成像系统

共聚焦显微镜靠针孔对焦平面外的杂光进行空间滤波，逐点扫描、逐点成像，获得光学层析能力。这套系统采用笼式开放架构，将针孔空间滤波与逐点扫描的完整光路开放呈现，关键元件可见、可拆、可扩展。适用于显微成像方向课程的共聚焦实验。

全系列课程选型速查

 

小结

显微成像基础课可在光学显微镜教学系统与自组建显微镜之间，按实验项目和装调深度选择；需要扩大覆盖范围时，再核对两者的互补内容。超分辨重建与断层成像分别对应SIM和谱域OCT，偏振3D装置则适用于偏振与立体显示。光操控课程可根据目标选择基础光镊或涡旋光镊，并用涡旋干涉实验补充相位结构的学习。量子光学等新品可纳入后续课程规划。