大视场、高分辨率介观显微镜物镜

光学显微镜是生命科学、医学和材料科学等领域不可或缺的研究工具。物镜是显微镜的核心部件，决定了显微成像的两个关键参数：分辨率和成像视场（FOV）。

这两个参数相互制约。数值孔径（NA）为 0.5 的商用显微镜物镜具有亚微米分辨率，但其成像视场通常仅限于 1 毫米左右。2014 年诺贝尔化学奖授予了超分辨率显微镜技术，该技术大大提高了成像分辨率。

然而，同时实现高分辨率和大视野仍然是一项研究挑战。近年来，对跨尺度高通量成像的需求与日俱增，但传统显微镜物镜无法同时实现大视场和高分辨率。

这就给大型样品的高分辨率成像带来了困难。通常的方法是以较小的视场角对样品进行多次成像，然后将图像拼接在一起，形成所需的成像区域。然而，这种方法会在拼接边缘产生伪影，而且成像速度较慢，无法实时观察样品的动态变化。

为了解决这些问题，人们提出了介观物镜。它们具有复杂的光学结构和出色的像差优化，可实现高 NA 和超大成像 FOV，显著提高光学显微镜的成像通量。

2016 年，斯特拉思克莱德大学首次研制出 NA 值为 0.47、FOV 为 6 毫米、工作波长范围为 400 纳米至 700 纳米的介观物镜。同年，《物理世界》杂志将其评选为年度十大物理学突破之一。随后，国际上也有相关研究的报道。

然而，在大视野范围内优化色差极具挑战性。目前的介观物镜仅限于可见光或近红外等单一成像波段，无法满足单光子或双光子等多种荧光成像的要求。此外，现有介观物镜的视场角集中在 3 毫米到 6 毫米之间。越来越多的应用场景要求进一步提高成像视野，以实现更高的成像吞吐量。

为了克服目前介观物镜成像波段窄、成像视场不够大的障碍，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所史国华研究员领导的研究小组设计了一种用于介观领域的平场全消色差物镜结构，研制出了世界上成像视场最大、工作波长最宽的亚微米分辨率介观物镜。

该物镜具有 8 毫米直径的 FOV，0.5 NA，成像波长范围为 400-1000 纳米，具有在可见光和近红外波段成像的独特能力。这项工作在《光电进展》（Opto-Electronic Advances）上进行了报道。

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（a）介观物镜的结构，（b）介观物镜的像差分布，（c）用介观物镜构建的宽视场成像系统，（d）用介观物镜构建的激光点扫描成像系统。

物镜由10组共19片透镜组成，采用三组像差优化设计。

前组包括一个双倍透镜和一个三倍透镜，采用近似平面设计，既能达到所需的 NA 值，又能最大限度地减少像差。中间组包括一个单透镜、一个双倍透镜、一个三倍透镜和两个双高斯配置的双倍半月板透镜，主要校正前组的像差。后组包括两个单透镜和一个双透镜，用于校正残余像差。

为了优化色差，前组使用低色散玻璃来减少色差。中间组的对称半月形透镜结构可补偿横向色差，三重透镜可补偿轴向色差。

后组采用折射率相似但色散明显不同的双透镜结构，并采用大气隙补偿色差。组合结构设计满足了像差优化要求，最终实现了从可见光到近红外波长的中视场全色校正。

为了验证物镜的成像性能，研究小组进行了各种性能测试。使用该物镜对分辨率测试图进行成像时，测得明场分辨率为 714 lp/mm，荧光微球分辨率为 0.74 μm，场失真为 0.46%。

在对小鼠大脑和肾脏切片进行成像时，获得了每帧 13.5 亿像素的图像。与 20 x 0.5 NA 的商用物镜进行的定量比较显示，中视物镜的成像质量与商用物镜相似，但成像场面积是商用物镜的 40 多倍。

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（a-c）小鼠脑成像结果，（d-g）小鼠肾脏荧光成像结果。

为了验证该物镜的扫描成像能力，研究小组建立了一个激光点扫描介观成像系统，在 488 纳米连续光激发下获得了单光子荧光成像结果，在 920 纳米飞秒脉冲光激发下获得了双光子荧光成像结果。

单光子成像的信号强度更高，而双光子成像的成像对比度更高。这也是首次利用介观物镜同时实现单光子和双光子成像。

这种物镜在大规模样本的高分辨率成像方面具有巨大潜力，例如脑图谱、跨脑区单光子和双光子成像以及有机体的高分辨率成像。

相关链接：https://phys.org/news/2024-06-wide-field-high-resolution-broadband.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.29026/oea.2024.230212