结合结构光照明的光学显微技术研究(2)
结 论 28
致 谢 29
参考文献30
1 引言
1.1 结构光照明显微研究背景与意义
传统光学显微镜分辨率均受到光学衍射极限的限制，系统分辨率有如下几种不同的表征形式：
（1）阿贝定律
阿贝定律表明能被透镜成像的最小周期结构，与介质折射率n，透镜孔径角，以及照明波长有关[ ]。德国物理学家Ernst Abbe发现，由于波动性，可见光会发生衍射，因此，光束不能无限聚焦。若要对一个栅状结构成像，透镜需要收集0级和1级衍射，由此提出阿贝定律。即透镜能清晰成像的条纹周期D是由光波长 、透镜孔径角 及像方空间折射率n决定，数值孔径NA=nsin ；
D= /2NA
由阿贝定律可知，提高分辨率的方法有：使用短波长的光源；提高折射率或孔径角，如选用水镜、油浸物镜。但即便如此，可见光能聚焦的最小直径是光波波长的三分之一，也就是200纳米。一个多世纪以来，200纳米的“阿贝极限”一直被认为是光学显微镜理论上的分辨率极限，小于这个尺寸的物体必须用近场光、电子或X射线替代远场光的方法（例如，近场光学显微镜、电子显微镜，X射线显微镜等）才能观察[ ]。
（2） 瑞利判据[ ]
由于衍射，系统所成的像不再是理想的几何点像，而是有一定大小的光斑(爱里斑),当两个物点过于靠近，其像斑重叠在一起，就可能分辨不出是两个物点的像，即光学系统中存在着一个分辨极限，这个分辨极限通常采用瑞利提出的判据：当一个爱里斑的中心与另一个爱里斑的第一级暗环重合时，刚好能分辨出是两个像。能分辨的两个点源的最小距离即为分辨极限，表示为
D=0.61 /NA
（3）半高全宽（FWHM）[ ]
这里的FWHM指的是点扩散函数的FWHM，这是一个普遍使用的用来表示系统分辨率的参数。对于圆形通光孔径，有
FWHM = 0.51 /NA
以上三种分辨率极限参数均是数值越小，空间分辨率越高。但不管是哪种分辨率表征形式，对于光学系统而言，都存在一个可探测的极限空间分辨率[ ]。
另一方面，电子显微镜等高分辨显微技术的分辨率比光学显微镜高得多，分辨率可达到埃级，因为它们用的是电子束等波长非常短的入射光，所以分辨率随之提高，然而电子显微镜也依然遵循着阿贝衍射极限。
虽然这些高分辨率显微技术例如扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等都有很高适用性[ ]，但它们在活体细胞观察等方面有着局限性。相比于其他形式的显微镜，光学显微镜的关键优势是非接触式测量，适用于微创活标本的观察和测量，然而，由于著名的阿贝衍射极限，传统光学显微镜的空间分辨率是有限的，约200nm。
也正是这种光学限制促使人们进行超分辨率光学成像方法的研究。超分辨率技术即通过硬件或软件的方法提高原有图像的分辨率，通过多幅低分辨率图像来得到一幅高分辨率图像过程就是超分辨率重建[ ]。超分辨率重建的关键就是用时间带宽(获取同一场景的多帧图像序列)换取空间分辨率,实现时间分辨率向空间分辨率的转换[ ]。
迄今已开发出多种超分辨显微技术[ ]，分类如图1.1所示：
由上图可知，结构光照明显微技术便是超分辨显微研究的一种。
1.2 结构光照明显微发展现状与应用
由于结构光照明显微有着其它高分辨率显微技术无可比拟的优越性如：非接触式测量、适用于微创活标本的观察和测量等[ ]。国内外的科学家们对此进行了大量研究工作。
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