Weitwinkel-, hochauflösendes und breitbandiges mesoskopisches Objektiv

Optische Mikroskope sind unverzichtbare Forschungsinstrumente in Bereichen wie Biowissenschaften, Medizin und Materialwissenschaften. Die Objektivlinse ist die Kernkomponente des Mikroskops und bestimmt zwei Schlüsselparameter der mikroskopischen Bildgebung: Auflösung und Bildsichtfeld (FOV).

Diese beiden Parameter sind voneinander abhängig. Kommerzielle Mikroskopobjektive mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,5 bieten eine Auflösung im Submikrometerbereich; ihr Bildfeld ist jedoch oft auf etwa 1 mm begrenzt. Der Nobelpreis für Chemie 2014 wurde für die Superauflösungsmikroskopie verliehen, eine Technologie, die die Bildauflösung erheblich verbessert.

Das gleichzeitige Erreichen einer hohen Auflösung und eines großen Sichtfelds bleibt jedoch eine Forschungsherausforderung. In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach maßstabsübergreifender Hochdurchsatzbildgebung gestiegen, doch herkömmliche Mikroskopobjektive können nicht gleichzeitig ein großes Sichtfeld und eine hohe Auflösung erreichen.

Dies erschwert die hochauflösende Abbildung großer Proben. Die übliche Methode besteht darin, die Probe mehrere Male in einem kleinen Sichtfeld abzubilden und die Bilder dann zusammenzufügen, um das gewünschte Abbildungsfeld zu bilden. Diese Methode erzeugt jedoch Artefakte an den Nahtkanten und hat eine langsame Abbildungsgeschwindigkeit, wodurch es unmöglich wird, dynamische Änderungen der Probe in Echtzeit zu beobachten.

Um diese Probleme zu lösen, wurden mesoskopische Objektive vorgeschlagen. Sie verfügen über komplexe optische Strukturen und eine hervorragende Aberrationsoptimierung, die eine hohe numerische Apertur und ein extrem großes Bildfeld ermöglichen und so den Bilddurchsatz optischer Mikroskope deutlich steigern.

Im Jahr 2016 entwickelte die University of Strathclyde erstmals ein mesoskopisches Objektiv mit einer NA von 0,47, einem FOV von 6 mm und einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm. Im selben Jahr wählte das Magazin Physics World es zu einem der zehn größten Durchbrüche in der Physik des Jahres. In der Folgezeit wurde über entsprechende Forschung international berichtet.

Die Optimierung der chromatischen Aberration über ein großes Sichtfeld hinweg ist jedoch eine große Herausforderung. Aktuelle mesoskopische Objektive sind auf ein einziges Wellenlängenband beschränkt, entweder sichtbar oder nahinfrarot, und können die Anforderungen für diverse Fluoreszenzbildgebungsverfahren wie Einzelphotonen- oder Zweiphotonenbildgebung nicht erfüllen. Darüber hinaus konzentriert sich das Sichtfeld bestehender mesoskopischer Objektive auf den Bereich von 3 mm bis 6 mm. Immer mehr Anwendungsszenarien erfordern eine weitere Verbesserung des Bildgebungs-Sichtfelds, um einen höheren Bilddurchsatz zu erreichen.

Um die derzeitigen Hindernisse des schmalen Abbildungswellenlängenbands und des unzureichenden Abbildungs-Sichtfelds bei mesoskopischen Objektiven zu überwinden, entwarf eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Guohua Shi vom Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine apochromatische Objektivstruktur mit flachem Feld für mesoskopische Felder und entwickelte das mesoskopische Objektiv mit dem weltweit größten Abbildungsfeld und der breitesten Arbeitswellenlänge und einer Auflösung im Submikrometerbereich.

Es verfügt über ein Sichtfeld von 8 mm Durchmesser, 0,5 NA und einen Wellenlängenbereich von 400-1000 nm, mit der einzigartigen Fähigkeit, sowohl im sichtbaren als auch im nahen Infrarotbereich abzubilden. Über die Bemühungen wird berichtet in Optoelektronische Fortschritte.

Das Objektiv besteht aus 10 Gruppen mit je 19 sphärischen Linsen und verwendet ein Drei-Gruppen-Aberrationsoptimierungsdesign.

Die vordere Gruppe umfasst eine Doublettlinse und eine Triplettlinse mit einem annähernd aplanatischen Design, wodurch die erforderliche NA erreicht und gleichzeitig Aberrationen minimiert werden. Die mittlere Gruppe besteht aus einer Einzellinse, einer Doublettlinse, einer Triplettlinse und zwei Doublet-Meniskuslinsen in einer Doppel-Gauß-Konfiguration, die hauptsächlich die Aberrationen der vorderen Gruppe korrigieren. Die hintere Gruppe umfasst zwei Einzellinsen und eine Doublettlinse zur Korrektur von Restaberrationen.

Zur Optimierung der chromatischen Aberration verwendet die vordere Gruppe Glas mit geringer Dispersion, um die chromatische Aberration zu reduzieren. Die symmetrische Meniskuslinsenstruktur der mittleren Gruppe gleicht die laterale chromatische Aberration aus, und die Tripletlinse gleicht die axiale chromatische Aberration aus.

Die hintere Gruppe verwendet eine Doublet-Struktur mit ähnlichen Brechungsindizes, aber deutlich unterschiedlichen Dispersionen und großen Luftspalten zur Kompensation der chromatischen Aberration. Die kombinierten Strukturdesigns erfüllen die Anforderungen an die Aberrationsoptimierung und erreichen letztendlich eine apochromatische Korrektur von sichtbaren bis hin zu nahinfraroten Wellenlängen in mesoskopischen Feldern.

Um die Abbildungsleistung des Objektivs zu überprüfen, führte das Forschungsteam verschiedene Leistungstests durch. Bei der Abbildung des Auflösungstestdiagramms mit diesem Objektiv wurde eine Hellfeldauflösung von 714 lp/mm und eine Fluoreszenzmikrokugelauflösung von 0,74 μm bei einer Feldverzerrung von 0,46 % gemessen.

Bei der Abbildung von Gehirn- und Nierenschnitten von Mäusen wurde ein Bild mit 1,35 Milliarden Pixeln pro Frame erhalten. Ein quantitativer Vergleich mit einem kommerziellen 20 x 0,5 NA-Objektiv zeigte, dass das mesoskopische Objektiv eine ähnliche Bildqualität aufweist, aber über 40 Mal so groß ist wie das kommerzielle Objektiv.

Um die Scan-Abbildungsfähigkeit des Objektivs zu überprüfen, baute das Team ein mesoskopisches Bildgebungssystem mit Laser-Punkt-Scan, das Einzelphotonen-Fluoreszenzbildgebungsergebnisse mit kontinuierlicher Lichtanregung von 488 nm und Zweiphotonen-Fluoreszenzbildgebungsergebnisse mit Femtosekunden-Pulslichtanregung von 920 nm erhielt.

Die Einzelphotonenbildgebung bietet eine höhere Signalintensität, während die Zweiphotonenbildgebung einen höheren Bildkontrast bietet. Dies ist auch das erste Mal, dass die gleichzeitige Einzel- und Zweiphotonenbildgebung mit einem mesoskopischen Objektiv erreicht wurde.

Dieses Ziel birgt großes Potenzial für die hochauflösende Bildgebung von Proben im großen Maßstab, wie etwa Gehirnkartierung, Einzel- und Zweiphotonenbildgebung übergreifender Gehirnregionen und hochauflösende Bildgebung von Organoiden.