随着生物光学、显微成像以及医学成像系统的快速发展，对光学系统的精度、清晰度、焦深控制等提出了更高要求。Zemax作为业界领先的光学设计软件，不仅可以模拟复杂的镜头结构与波前变化，也非常适合进行生物成像系统建模和成像质量评估分析。很多科研人员和工程师在使用过程中常会提出两个关键问题：“Zemax如何模拟生物成像？”以及“Zemax如何分析成像质量？”。本文将围绕这两个核心话题，从建模方式、关键参数、仿真分析工具等多个角度，帮助你深入理解并掌握Zemax在生物成像系统中的高效应用。
一、Zemax如何模拟生物成像
生物成像的特点包括高数值孔径（NA）、高分辨率、深景深、荧光路径、长波长色差控制等。Zemax能很好地支持从显微物镜到共聚焦显微镜、荧光滤波系统等多种成像系统的建模。
1.搭建典型生物成像光路结构
以显微成像系统为例，系统包括：
样品位于物方焦点；
物镜（Objective）进行高倍率成像；
管镜（Tube Lens）转换光程或进行远心成像；
成像面（Detector）收集图像，如CCD/CMOS探测器。
在Zemax中可用标准序列建模方式搭建以上结构，每一片透镜分别定义厚度、折射率、曲率半径。
2.设置数值孔径（NA）和对象空间
打开System Explorer→Aperture；
选择“Object Space NA”模式；
输入目标数值孔径（如0.95），Zemax将自动控制入射角度范围；
可模拟高NA系统下的像差行为，特别是用于荧光显微等高分辨场景。
3.加入覆盖液（Immersion Medium）与样品
若为油浸镜头或水浸物镜，可在物体前面插入材料层；
在Lens Data Editor中设定折射率与厚度；
Zemax将自动追踪穿过样品介质后的折射影响；
可用于分析组织样品厚度变化对成像焦点的影响。
4.模拟激光入射或荧光路径
对于共聚焦系统，可用“Field Angle”控制激光束扫射；
对于荧光路径：
设置双向成像：激发路径与发射路径；
设置滤光片光谱范围，通过Filter表面添加透射带；
模拟不同波长路径的像差差异，优化共路径设计。
5.加入实际探测器模型
可在像面定义探测器面板，包括大小、曲率、位置；
模拟CMOS、sCMOS探测器面尺寸与像点覆盖；
利用Image Simulation工具加载真实组织图像，通过系统查看成像衰减。
二、Zemax如何分析成像质量
成像质量评估是衡量一个系统是否达到分辨率、清晰度、色差控制、聚焦能力的关键环节。Zemax提供了完整的几何成像分析、波前分析、频率响应等工具。
1.使用Spot Diagram观察像差
分析→Spot Diagram；
评估不同视场下的点斑大小与分布形状；
小而集中表示成像好，弥散或歪斜说明存在像差（如彗差、像散）。
2.使用Point Spread Function(PSF)模拟点源响应
分析→PSF；
模拟实际中点物体在成像系统中的扩散情况；
可反映系统分辨率与成像清晰度；
PSF的对称性和集中性直接影响对细胞结构的分辨。
3.使用MTF分析频率响应（对比度能力）
分析→MTF；
显示空间频率vs成像对比度（Modulation）；
高频段对比度下降说明系统分辨力减弱；
对于生物显微系统，通常关注100~500 lp/mm区间的MTF。
4.使用Wavefront Map查看波前畸变
分析→Wavefront Map；
查看系统对相位波前的干扰程度；
畸变越小，说明系统越接近平面波；
可识别球差、彗差、像散等问题的波前来源。
5.使用Field Curvature/Distortion图分析平场性
分析→Field Curvature；
可判断是否存在像面弯曲，是否需要探测器调整形状或位置；
对大视场组织扫描尤其关键。
6.自定义Merit Function做系统性能优化
将PSF、MTF、Wavefront中的关键性能指标写入Merit Function；
设置目标值（如最小RMS Spot、最大轴向对比度）；
优化后自动微调透镜位置、曲率、材料等，使系统性能最优。
三、实用技巧：从仿真到实际应用的建议
1.高NA成像必须考虑相干效应
Zemax默认使用几何光追；
若需考虑高分辨共聚焦或荧光路径中的相干，建议使用Physical Optics Propagation（POP）模块分析；
POP模块可模拟干涉、衍射等波动光行为。
2.使用图像模拟（Image Simulation）增强感知
导入真实细胞图像，通过系统仿真后输出模拟图像；
观察系统成像模糊程度与颜色偏差；
适合科研人员向非技术人员演示系统成像差异。
3.分析散射、吸收对成像的影响
对于组织类样品，可在样品层定义吸收/散射属性；
使用非序列模式模拟荧光激发路径、杂散光干扰、背景光污染等。
4.多波长/多视场组合评价更真实
对于多波长荧光成像、全视场检测；
使用Multi-Configuration建立不同波长/视场角仿真组；
全面评估系统在多通道下的性能一致性。
四、总结
“Zemax如何模拟生物成像”：通过高NA设置、样品层建模、荧光通道设置、滤光片添加等方式，完整模拟组织、细胞、生物样本的成像过程，适用于共聚焦、荧光、显微系统等场景； “Zemax如何分析成像质量”：依靠Spot Diagram、PSF、MTF、Wavefront Map、Field Curvature等分析模块，从几何到频率、从相位到焦平面，实现全方位性能评估；两者结合，将使光学设计人员不仅能够构建一个可运行的模型，更能全面理解系统的性能极限与优化方向。
