日本研发出终极物镜大数值孔径且能校正所有像差新骨瓷

发布时间：2022-08-11 09:23:38

07-24

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。