大视场高分辨率宽带介观物镜

Opto-Electronic Advances的一篇新出版物;DOI 10.29026/oea.2024.230212，讨论了宽视场、高分辨率和宽带介观物镜。

光学显微镜是生命科学、医学、材料科学等领域不可缺少的研究工具。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。这两个参数相互制约。商用显微镜物镜的数值孔径(NA)为0.5，分辨率达到亚微米级别，但其成像视场往往限制在1mm左右。2014年的诺贝尔化学奖授予了超分辨率显微镜，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场仍是一个研究难题。近年来，跨尺度高通量成像的需求不断增加，而传统的显微镜物镜无法同时实现大视场和高分辨率，使得大样本的高分辨率成像变得困难。通常的方法是先在小视场内对样本进行多次成像，然后将图像拼接起来形成所需的成像视场。但该方法在拼接边缘处产生伪影，且成像速度较慢，无法实时观察样品的动态变化。

为了解决上述问题，介观物镜被提出。它们具有复杂的光学结构和出色的像差优化，可以实现高数值孔径和超大成像视场，大大提升了光学显微镜的成像吞吐量。2016年，思克莱德大学首次开发出数值孔径0.47、视场6 mm、工作波长范围400 nm至700 nm的介观物镜，被《物理世界》杂志评选为当年十大物理学突破之一，随后国际上也不断报道相关研究。然而，在大视场范围内优化色差极具挑战性。目前的介观物镜局限于可见光或近透视 等单一成像波段，无法满足单光子或双光子成像等多样化荧光成像要求，且现有介观物镜的视场集中在3 mm至6 mm范围内。越来越多的应用场景要求进一步增强成像视场以实现更高的成像吞吐量。

针对目前介观物镜成像波段窄、成像视场不足的难题，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所石国华研究员课题组设计了一种适用于介观视场的平场复消色差物镜结构，研制出目前国际上成像视场最大、工作波长最宽的亚微米分辨率介观物镜，其视场直径为8毫米，数值孔径为0.5，成像波长范围为400-1000纳米，具有可见光和近透视 波段成像的独特能力。

该物镜由10组19片球面透镜组成，采用三组像差优化设计。前组包括一片双合透镜和一片三合透镜，采用近似消球差设计，在达到要求的NA的同时，最大程度地减少像差。中组由一片单透镜、一片双合透镜、一片三合透镜和两片双高斯结构的双合弯月透镜组成，主要校正前组的像差。后组包括两片单透镜和一片双合透镜，用于校正残余像差。对于色差优化，前组采用低色散玻璃以降低色差。中组的对称弯月透镜结构补偿横向色差，三合透镜补偿轴向色差。后组采用折射率相近但色散差异较大的双合结构，并设有较大的空气间隙以补偿色差。组合结构设计满足了像差优化要求，最终实现介观场从可见光到近透视 波段的复消色差校正。

为验证该物镜的成像性能，研究团队进行了多项性能测试。用该物镜对分辨率测试图进行成像，测得明场分辨率为714 lp/mm，荧光微球分辨率为0.74 μm，场畸变为0.46%。对小鼠脑、肾切片成像时，可获得13.5亿像素/帧的图像。与商用20x 0.5 NA物镜定量对比发现，该介观物镜在成像质量相当的情况下，成像场面积却是商用物镜的40多倍。为验证该物镜的扫描成像能力，研究团队搭建了激光点扫描介观成像系统，获得了488 nm连续光激发的单光子荧光成像结果和920 nm飞秒脉冲光激发的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实现同时进行单光子和双光子成像，该物镜在脑部映射、跨脑区域单光子和双光子成像、类器官高分辨率成像等大规模样本高分辨率成像方面具有重要应用潜力。

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