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日本研发出“终极”物镜 大数值孔径且能校正所有像差

2019-11-14 17:12:50
日本研发出“终极”物镜 大数值孔径且能校正所有像差

7月24日消息,东京工业大学成功设计出了“终极”物镜,一款具有大数值孔径(NA)且校正了所有像差的物镜“虎藤镜”(TORA-FUJI mirror)。虎藤镜在继承了上一代物镜实现的耐环境性能、大数值孔径及彻底消除色差的基础上,还新增加了对所有单色像差进行校正的功能,由此确保了宽阔的视野。虽然制作虎藤镜遭遇了不少困难,但通过反复试制和设计,目前已经接近完成状态。

东京工业大学2017年就开发了冷冻荧光电子显微镜,能以1nm的精度确定单个色素分子的三维位置。由于这种显微镜的视野为数微米,比细胞的尺寸还小1位数,所以难以应用于生物系统。为此,当时还是硕士生的虎谷泰靖开始着手新物镜的设计。最终,成功在维持优异的光学性能的同时,将视野按面积比扩大到了600倍,设计出了适合观察生物系统的“虎藤镜”。 虎藤镜成功的关键在于,物镜的设计采用了非主流的反射光学系统。

图1:历代冷冻物镜的照片。左上方的数字表示代数。每代冷冻物镜均根据开发的学生和研究人员的姓名命名,分别为1.金镜、2.藤原金镜Ⅰ、3.藤原金镜Ⅱ、4.藤原镜、5.藤原荧石镜Ⅰ、6.藤原荧石镜Ⅱ、7.藤原非球面镜、8.稻川镜、9.虎藤镜。图中比例尺为15mm。

上一代的稻川镜中残存了4和5的课题。此次,研究小组从零开始重新设计,成功设计出了具有1~5优点的虎藤镜。虎藤镜采用由非球面和球面构成的复杂结构,而且对研磨公差要求严格,其制作过程相当困难。

图2:虎藤镜的光学配置与5大优点

图2是虎藤镜的光学配置。虎藤镜是由球面镜和非球面镜构成的反射型物镜。球面镜和非球面镜是在一块石英玻璃表面涂覆铝膜一体成型的,因此实现了1.优异的耐环境性能(能在从极低温到室温的大温度范围及强磁场环境下使用),2.彻底消除了色差。另外,通过采用非球面镜,还扩大了设计范围,在3. 维持大数值孔径的同时,4. 校正了所有单色像差,5. 确保了宽阔的视野。

预计在不久的将来,可利用虎藤镜在分子水平观察到前人未探索过的生命现象。从中获得的纳米级别空间信息,或许能连接起人类迄今为止积累的庞大的生命科学信息。由此,对生物的了解将迅速进步,能解开更多的生命奥秘。

相关研究成果已于2019年7月15日在美国物理学会的期刊《应用物理学快报》(Applied Physics Letters)的网络速报版上公开。

相关概念:

数值孔径NA:是一个无量纲的数,用以衡量该系统能够收集的光的角度范围。越大,收集到的光越多,分辨率越高。数值孔径描述了透镜收光锥角的大小,决定着透镜收光能力和空间分辨率。

像差:是指实际光学系统中,由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致,与高斯光学的理想状况的偏差。

物镜:是由若干个透镜组合而成的一个透镜组。

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