一、引言

聚焦系统是显微镜成像的核心环节之一，直接决定图像的清晰度、层次感与空间深度。作为奥林巴斯高端研究级产品，IX81倒置显微镜在聚焦系统方面融合了精密机械结构与先进的电动控制技术，既支持传统手动调焦，也兼容自动化Z轴控制，满足从基础显微观察到长时程成像、三维重建等多种科研需求。

本文将围绕IX81显微镜的聚焦系统结构、调焦方式、控制精度、自动对焦模块、Z轴堆叠成像能力、软件控制接口、典型应用场景与维护建议等内容，进行系统全面的介绍，帮助用户深度理解和灵活使用该平台的聚焦能力。

二、IX81聚焦系统的基本结构与原理

1. 聚焦系统构成

IX81聚焦系统主要由以下几部分组成：

• Z轴升降支架：显微镜物镜端随Z轴上下移动；

• 粗调焦旋钮：用于快速移动焦距范围，适用于初始对焦；

• 微调焦旋钮：实现亚微米级精细调节，便于高倍镜下观察；

• 电动调焦马达（IX2-ZDC, IX2-ZM）：通过步进电机驱动聚焦，结合软件实现自动控制；

• Z轴位置编码器：实时监测当前焦距位置，确保重复定位精度；

• 样品平台稳定支撑系统：保持样品固定，避免聚焦时产生共振或偏移。

2. 聚焦原理

聚焦是通过调整物镜与样品之间的垂直距离（Z轴）以找到最清晰的成像平面。IX81系统支持以下聚焦策略：

• 人工主观聚焦：操作者通过目镜或相机观察图像并旋转调焦旋钮；

• 电动精密聚焦：软件控制电机，以固定步距移动焦点；

• 自动对焦（AF）系统：通过图像亮度/边缘分析或激光检测对焦平面。

三、聚焦系统的控制方式与技术参数

1. 手动调焦操作

• 粗调旋钮转动范围大，用于快速拉近焦平面；

• 微调旋钮支持高精度旋转，适用于40x、60x、100x等高倍物镜下聚焦；

• 旋钮设置阻尼调节，手感稳定，减少过调或回弹。

2. 电动聚焦（Z-motor）

• 由IX2-ZM电动调焦马达控制Z轴行程；

• 控制精度可达0.01μm，满足细胞器级别定位；

• 移动速度可调（慢速精调/快速扫描）；

• 支持断电记忆上次位置。

3. 聚焦范围与移动参数

四、自动对焦系统（ZDC）详解

1. ZDC（Z Drift Compensation）系统概述

IX81配备的ZDC系统是一种基于红外反射激光测距原理的自动聚焦技术，适用于活细胞长时间拍摄与低对比度样品聚焦。

2. 工作原理

• 红外激光从物镜发出并反射至样品表面；

• 激光反射信号被检测器接收，系统判断样品表面高度；

• 实时微调Z轴，保持焦点恒定，即使样品移动或热漂移也能持续对焦。

3. 模式选择

• 连续自动对焦（Continuous AF）：实时自动调节Z轴，适合时间序列或活细胞观察；

• 单次自动对焦（One-shot AF）：启动后自动聚焦一次后锁定；

• 参考高度锁定：用户手动设定焦平面，系统根据反射数据维持该高度。

4. 优点

• 对低对比度细胞、无染色标本适应性强；

• 自动补偿热漂移、样品下沉等现象；

• 快速响应，适合动态成像、长时程实验。

五、Z轴堆叠（Z-stack）与三维成像

1. Z-stack成像流程

• 设定起始与结束焦点；

• 设定步距（如1μm）与图像数量；

• 操作台或物镜随Z轴逐层移动并采集图像；

• 后期重建三维结构（可用ImageJ、cellSens等软件处理）。

2. 应用场景

• 多层细胞结构观察（如细胞核-细胞质-基质）；

• 组织切片厚层成像；

• 细胞穿膜行为追踪；

• 几何形态量化（如细胞体积、微丝架构重构）。

六、聚焦软件控制与功能整合

1. 软件界面（以cellSens为例）

• 实时显示Z轴当前坐标；

• 支持“上一步”、“下一步”、“归零”、“绝对定位”；

• 预设Z-stack参数并保存；

• 与时间序列、自动拍摄脚本协同运行。

2. 编程控制与脚本执行

• 可预设多个观察点，每点设定独立Z轴焦距；

• 在长时程实验中自动切换Z层进行连续扫描；

• 与物镜切换、电动平台移动同步配合，实现多点三维采集。

七、典型聚焦应用案例分析

八、聚焦问题分析与故障排查

九、聚焦系统的维护与使用建议

1. 日常维护要点

• 每次使用后回归初始焦点，防止过冲；

• 避免样品接触物镜，保持工作距离；

• 定期清理电动Z轴滑轨，保持干燥与润滑；

• 禁止在断电情况下强行转动调焦旋钮。

2. 使用技巧建议

• 初始观察用低倍物镜快速对焦，再切换高倍；

• 在高倍观察中尽量使用电动聚焦配合实时成像；

• 多人共用系统时，建议设定默认初始焦点，便于重复定位；

• 在时间序列实验中优先开启ZDC自动对焦，避免焦平面漂移干扰。

十、总结

奥林巴斯IX81倒置显微镜的聚焦系统融合了机械稳定性与自动化智能控制，具备高精度、低延迟、重复性好等突出特点。其既保留了传统旋钮手动调焦的直观性，也通过Z轴电动马达和ZDC自动对焦模块，满足现代生物成像对长时程稳定性、多层次结构识别与多任务同步成像的技术需求。