光學顯微鏡是生命科學、醫(yī)學和材料科學等領域不可或缺的研究工具。物鏡是顯微鏡的核心部件，決定了顯微成像的兩個關鍵參數(shù)：分辨率和成像視場（FOV）。

這兩個參數(shù)相互制約。數(shù)值孔徑（NA）為 0.5 的商用顯微鏡物鏡具有亞微米分辨率，但其成像視場通常僅限于 1 毫米左右。2014 年諾貝爾化學獎授予了超分辨率顯微鏡技術，該技術大大提高了成像分辨率。

然而，同時實現(xiàn)高分辨率和大視野仍然是一項研究挑戰(zhàn)。近年來，對跨尺度高通量成像的需求與日俱增，但傳統(tǒng)顯微鏡物鏡無法同時實現(xiàn)大視場和高分辨率。

這就給大型樣品的高分辨率成像帶來了困難。通常的方法是以較小的視場角對樣品進行多次成像，然后將圖像拼接在一起，形成所需的成像區(qū)域。然而，這種方法會在拼接邊緣產(chǎn)生偽影，而且成像速度較慢，無法實時觀察樣品的動態(tài)變化。

為了解決這些問題，人們提出了介觀物鏡。它們具有復雜的光學結(jié)構(gòu)和出色的像差優(yōu)化，可實現(xiàn)高 NA 和超大成像 FOV，顯著提高光學顯微鏡的成像通量。

2016 年，斯特拉思克萊德大學首次研制出 NA 值為 0.47、FOV 為 6 毫米、工作波長范圍為 400 納米至 700 納米的介觀物鏡。同年，《物理世界》雜志將其評選為年度十大物理學突破之一。隨后，國際上也有相關研究的報道。

然而，在大視野范圍內(nèi)優(yōu)化色差極具挑戰(zhàn)性。目前的介觀物鏡僅限于可見光或近紅外等單一成像波段，無法滿足單光子或雙光子等多種熒光成像的要求。此外，現(xiàn)有介觀物鏡的視場角集中在 3 毫米到 6 毫米之間。越來越多的應用場景要求進一步提高成像視野，以實現(xiàn)更高的成像吞吐量。

為了克服目前介觀物鏡成像波段窄、成像視場不夠大的障礙，中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所史國華研究員領導的研究小組設計了一種用于介觀領域的平場全消色差物鏡結(jié)構(gòu)，研制出了世界上成像視場最大、工作波長最寬的亞微米分辨率介觀物鏡。

該物鏡具有 8 毫米直徑的 FOV，0.5 NA，成像波長范圍為 400-1000 納米，具有在可見光和近紅外波段成像的獨特能力。這項工作在《光電進展》（Opto-Electronic Advances）上進行了報道。

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（a）介觀物鏡的結(jié)構(gòu)，（b）介觀物鏡的像差分布，（c）用介觀物鏡構(gòu)建的寬視場成像系統(tǒng)，（d）用介觀物鏡構(gòu)建的激光點掃描成像系統(tǒng)。

物鏡由10組共19片透鏡組成，采用三組像差優(yōu)化設計。

前組包括一個雙倍透鏡和一個三倍透鏡，采用近似平面設計，既能達到所需的 NA 值，又能最大限度地減少像差。中間組包括一個單透鏡、一個雙倍透鏡、一個三倍透鏡和兩個雙高斯配置的雙倍半月板透鏡，主要校正前組的像差。后組包括兩個單透鏡和一個雙透鏡，用于校正殘余像差。

為了優(yōu)化色差，前組使用低色散玻璃來減少色差。中間組的對稱半月形透鏡結(jié)構(gòu)可補償橫向色差，三重透鏡可補償軸向色差。

后組采用折射率相似但色散明顯不同的雙透鏡結(jié)構(gòu)，并采用大氣隙補償色差。組合結(jié)構(gòu)設計滿足了像差優(yōu)化要求，最終實現(xiàn)了從可見光到近紅外波長的中視場全色校正。

為了驗證物鏡的成像性能，研究小組進行了各種性能測試。使用該物鏡對分辨率測試圖進行成像時，測得明場分辨率為 714 lp/mm，熒光微球分辨率為 0.74 μm，場失真為 0.46%。

在對小鼠大腦和腎臟切片進行成像時，獲得了每幀 13.5 億像素的圖像。與 20 x 0.5 NA 的商用物鏡進行的定量比較顯示，中視物鏡的成像質(zhì)量與商用物鏡相似，但成像場面積是商用物鏡的 40 多倍。

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（a-c）小鼠腦成像結(jié)果，（d-g）小鼠腎臟熒光成像結(jié)果。

為了驗證該物鏡的掃描成像能力，研究小組建立了一個激光點掃描介觀成像系統(tǒng)，在 488 納米連續(xù)光激發(fā)下獲得了單光子熒光成像結(jié)果，在 920 納米飛秒脈沖光激發(fā)下獲得了雙光子熒光成像結(jié)果。

單光子成像的信號強度更高，而雙光子成像的成像對比度更高。這也是首次利用介觀物鏡同時實現(xiàn)單光子和雙光子成像。

這種物鏡在大規(guī)模樣本的高分辨率成像方面具有巨大潛力，例如腦圖譜、跨腦區(qū)單光子和雙光子成像以及有機體的高分辨率成像。

相關鏈接：https://phys.org/news/2024-06-wide-field-high-resolution-broadband.html

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.29026/oea.2024.230212