光學(xué)超分辨技術(shù)綜述

摘要：由于無(wú)論是源于人類(lèi)本身對(duì)未知世界探索的渴望， 還是現(xiàn)代工程技術(shù)的各種需要，對(duì)微觀領(lǐng)域的高分辨率成像都是一個(gè)十分重要的研究方向， 故本文對(duì)國(guó)內(nèi)外光學(xué)超分辨技術(shù)研究的歷史和現(xiàn)狀做出綜述是十分必要的。

一、 背景及意義

人類(lèi)對(duì)未知領(lǐng)域的探索永遠(yuǎn)是促進(jìn)科學(xué)進(jìn)步的最強(qiáng)大動(dòng)力。在眾多未知領(lǐng)域中我們身邊的微觀世界無(wú)疑是最令人著迷的。在這一領(lǐng)域中既涉及到生物細(xì)胞、遺傳基因這些關(guān)乎我們自身的重要元素， 又涉及到分子結(jié)構(gòu)、 基本粒子這些構(gòu)成我們關(guān)于物質(zhì)知識(shí)的核心命題。也只有對(duì)微觀世界的深入研究才能讓我們回答諸如什么是人類(lèi)能夠觀測(cè)的最小尺度， 宇宙是否存在物質(zhì)的最小極限這樣的物理學(xué)中的基本問(wèn)題。而研究往往始于觀察， 成像又是觀察的最基本手段。所以尋找對(duì)微觀物質(zhì)高分辨率成像的方法， 制造對(duì)微觀物質(zhì)高分辨率成像的儀器， 就成為了研究微觀領(lǐng)域必不可少的首要一環(huán)。正是推動(dòng)科學(xué)本身進(jìn)步這一要求， 使科研人員不斷地采用各種各樣的技術(shù)革新來(lái)盡可能地提高觀測(cè)系統(tǒng)的分辨率和有效信息獲取量，并盡可能地重建和恢復(fù)原始自然圖像， 以滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)未知的微觀世界知識(shí)獲取的渴望。

另一方面，在技術(shù)層面上，隨著許多新興的超精密工程學(xué)的發(fā)展， 人們提出了納米 級(jí)與 亞納 米級(jí) 分辨率 成像 的要 求。如在巨 大規(guī) 模集成電路（ GigaScaleIntegration circuits ）制造中，已經(jīng)開(kāi)始使用 32nm工藝，并且正在開(kāi)發(fā)22nm 工藝；在納米技術(shù)的研究中，從上世紀(jì)七十年代，首先提出使用單分子作為電子器件開(kāi)始， 到現(xiàn)在研制中的各種微納機(jī)電系統(tǒng)， 各個(gè)研究對(duì)象的線(xiàn)度也都在數(shù)微米到幾納米之間；而在現(xiàn)代生物科技和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展中，人們不但提出了對(duì)大生物分子在納米級(jí)和亞納米及三維成像的要求， 甚至還希望能對(duì)活性樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)和顯微操作。這就要求圖像和數(shù)據(jù)同步、 動(dòng)態(tài)地顯示在我們面前。

為達(dá)到以上要求，人們應(yīng)用了光學(xué)、微電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械制造、信號(hào)處理等各個(gè)學(xué)科的最新成果，來(lái)制造先進(jìn)的現(xiàn)代成像系統(tǒng)。在這些現(xiàn)代成像系統(tǒng)中，又以現(xiàn)代光學(xué)成像系統(tǒng)，應(yīng)用最為廣泛。現(xiàn)代光學(xué)成像系統(tǒng)除了具備簡(jiǎn)單高效、使用方便、造價(jià)相對(duì)較低等傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的特性外， 還具有更高的時(shí)間和空間成像分辨率， 突破了傳統(tǒng)意義上的衍射成像分辨率極限。而研究使光學(xué)成像系統(tǒng)突破衍射成像分辨率極限， 獲得高分辨率成像的相關(guān)方法也逐漸成為了一個(gè)獨(dú)立的課題——光學(xué)超分辨技術(shù)。

光學(xué)超分辨技術(shù)又可以根據(jù)成像系統(tǒng)對(duì)物體反射或透射光場(chǎng)不同部分的成像作用分為近場(chǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)和遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)。近場(chǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)的主要思想是采用光纖探頭等探測(cè)裝置對(duì)物體表面進(jìn)行掃描， 探測(cè)物體表面的倏逝波并對(duì)其成像， 已達(dá)到提高成像分辨率的目的。遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)則是在傳統(tǒng)的光學(xué)顯微成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上應(yīng)用光瞳濾波、 共焦掃描、熒光顯微技術(shù)以及其他各種頻帶展寬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成像分辨極限的突破。

二、歷史與現(xiàn)狀

在研究光學(xué)超分辨成像技術(shù)時(shí)， 就必須首先提到顯微術(shù)。超分辨技術(shù)在某種程度上可以認(rèn)為是顯微術(shù)發(fā)展的延伸。在 19 世紀(jì)，人們主要利用透鏡成像原理進(jìn)行顯微成像，在光源選擇上，也基本只采用可見(jiàn)光（ 400nm-760nm）。

隨著光學(xué)理論的發(fā)展和對(duì)顯微系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究的不斷深入， 人們逐漸提出了分辨率的概念。在各種分辨率的定義中，廣為接受并沿用至今的一個(gè)就是瑞利（Rayleigh ）判據(jù)。它是一種基于由瑞利和阿貝（ Abbe）提出的衍射分辨極限是由有限尺度光瞳決定的觀點(diǎn)的兩點(diǎn)分辨率標(biāo)準(zhǔn)。它的內(nèi)容是，一個(gè)具有圓形光瞳的衍射置限系統(tǒng)， 對(duì)兩個(gè)非相干點(diǎn)光源進(jìn)行成像， 若一個(gè)點(diǎn)光源產(chǎn)生的愛(ài)里斑強(qiáng)度圖樣的中心正好落在另一個(gè)點(diǎn)光源所產(chǎn)生的愛(ài)里斑的第一零點(diǎn)上， 則認(rèn)為這兩個(gè)點(diǎn)光源之間的距離是這個(gè)成像系統(tǒng)能夠分辨的最小距離。根據(jù)瑞利的定義， 可以證明在非傍軸情況下，這一最小距離可以表示為：δ=0.61 λ/NA其中， λ代表入射光的波長(zhǎng)， NA 是光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。因此為了提高光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率，當(dāng)時(shí)人們?cè)谕哥R結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光源選擇方面投入了大量的工作。

但即使利用近紫外線(xiàn)和大數(shù)值孔徑的透鏡成像， 由于受遠(yuǎn)場(chǎng)衍射效應(yīng)的影響， 光學(xué)系統(tǒng)的分辨率仍不能突 200nm。所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，建立在傳統(tǒng)光學(xué)理論上的瑞利判據(jù)就被看做是光學(xué)系統(tǒng)成像的分辨率極限。人們對(duì)這一極限是否可以被超越的思考和為突破這一極限而做的技術(shù)上的嘗試， 也在瑞利判距這一概念確立時(shí)同步開(kāi)始了。

三、近場(chǎng)超分辨技術(shù)

與采用短波非可見(jiàn)光成像相比，近場(chǎng)掃描成像是一種真正實(shí)現(xiàn)了超越衍射分辨極限的顯微技術(shù)。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是利用可探測(cè)某種物理量的掃描探針接近成像物體表面， 當(dāng)探針與成像物體間的距離發(fā)生變化時(shí)， 相應(yīng)的可探測(cè)的物理量也隨之發(fā)生變化， 再通過(guò)對(duì)變化的物理量進(jìn)行記錄， 就可以利用計(jì)算機(jī)重構(gòu)出反映物體表面情況的圖像。

近場(chǎng)掃描成像概念的提出最早可以追溯到上個(gè)世紀(jì)20 年代，但限于當(dāng)時(shí)技術(shù)的水平，其一直沒(méi)有得到很大的發(fā)展。直到上世紀(jì)八十年代，微電子學(xué)的蓬勃興起， 為實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)掃描成像提供了必要的技術(shù)條件。1982年，掃描隧道顯微鏡（ STM）問(wèn)世，使其成為了利用近場(chǎng)掃描成像概念產(chǎn)生的首款高分辨率成像設(shè)備。正是由于這一革命性的創(chuàng)造， 其發(fā)明者與電子顯微鏡的發(fā)明者分享了 1986 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。除掃描隧道顯微鏡外，利用類(lèi)似思想實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的設(shè)備還有， 掃描力顯微鏡 （SFM），原子力顯微鏡 （AFM），掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡 （SNOM），光子掃描隧道顯微鏡 （PSTM）等等。其中掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和光子掃描隧道顯微鏡是通過(guò)檢測(cè)物體表面非輻射場(chǎng)的倏矢波來(lái)實(shí)現(xiàn)成像的，屬于典型的近場(chǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)。這種方法可以獲得很高的空間分辨率，例如 ：掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的橫向分辨率可以達(dá)到λ/20-λ/25，光子掃描隧道顯微鏡的橫向空間分辨率可以達(dá)到1nm，縱向空間分辨率可達(dá)到約 0.2nm。

但以上技術(shù)對(duì)掃描探針和待測(cè)樣品提出了相當(dāng)高的要求。如光子掃描隧道顯微鏡要求其光纖探針的尖端直徑越小越好 （ 直徑越小，分辨率越高 ） ，一般要求小于100nm，間端輪廓角要在60°~ 90°之間。而且要求具有高度穩(wěn)定的觀察環(huán)境。掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡由于對(duì)生物樣品的靈敏度較低， 須對(duì)觀察樣品進(jìn)行染色， 從而不能保持生物樣品的活性。另外，采用這類(lèi)方法時(shí)還要面對(duì)掃描探針顯微鏡的價(jià)格昂貴， 成像速度低，成像范圍小以及對(duì)成像結(jié)果解釋存在不一致等問(wèn)題， 而且該類(lèi)技術(shù)是一種接觸型測(cè)量技術(shù)，容易造成樣品和探針的損傷。

四、遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)

可以看到，上述方法在獲得高分辨率的同時(shí)， 或多或少地喪失了傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)的一些優(yōu)點(diǎn)，如簡(jiǎn)單易行，可靠性高，成本低，速度快，不對(duì)樣本產(chǎn)生任何損傷，以及對(duì)比機(jī)制運(yùn)用靈活等等。如果超分辨技術(shù)能夠獲得亞微米乃至納米級(jí)的微觀信息， 而又不喪失傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)， 那么它的意義將是十分巨大的。

這種技術(shù)就是本文將重點(diǎn)研究的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)。在通常意義下，遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)指的是在遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)中所采用的一系列技術(shù)上的手段。通過(guò)對(duì)這些方法的應(yīng)用， 光學(xué)成像系統(tǒng)的成像分辨率可以超越經(jīng)典衍射極限。這些方法雖然在理論基礎(chǔ)上有一定的關(guān)聯(lián)， 但它們研究時(shí)的出發(fā)點(diǎn)以及對(duì)光學(xué)系統(tǒng)改造的具體方式還是有所不同的。在遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)的研究中最具里程碑意義的就是 1952 年由 Toraldodi Francia 提出的有限視場(chǎng)超分辨理論。

在這一研究中 Toraldo 首次將超分辨天線(xiàn)概念引入到了光學(xué)領(lǐng)域。并在總結(jié)前人的研究基礎(chǔ)之上重申了噪聲對(duì)光學(xué)衍射效應(yīng)的影響。他還具體描述了環(huán)形超分辨光瞳濾波器的設(shè)計(jì)方法， 這些均對(duì)各種遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展有著深刻的影響。如以下技術(shù)：

1.超分辨圖像復(fù)原和重構(gòu)技術(shù)：

超分辨圖像復(fù)原和重構(gòu)技術(shù)是圖像后處理技術(shù)中的一種，又被稱(chēng)為帶寬外推。它是對(duì)生成圖像進(jìn)行量化后，再使用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理，以提高圖像分辨率的一種技術(shù)。因此不涉及對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行任何物理上的改造。

2.基于傅里葉光學(xué)理論的超分辨技術(shù)：

與瑞利觀點(diǎn)相似，阿貝也認(rèn)為光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑是限制成像分辨率的重要因素。不過(guò)阿貝的解釋是基于對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的頻域分析而做出的。根據(jù)傅里葉光學(xué)理論，對(duì)圖像進(jìn)行二維傅里葉變換之后，圖像的細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)著高頻分量。也就是說(shuō)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的帶寬越高，最終的成像分辨率也就越高。而光學(xué)成像系統(tǒng)因?yàn)榭讖接邢?，可以看做是一個(gè)低通濾波器，只能傳遞有限帶寬的空間頻率，所以最終成像的分辨率也一定有限。

3.基于部分相干光理論的超分辨技術(shù)：

瑞利的衍射分辨極限理論是建立在完全非相干光照明的基礎(chǔ)之上的， 這與瑞利本人所處的時(shí)代相關(guān)。到了20世紀(jì)，一方面，相干光學(xué)理論不斷完善。1938 年澤尼克（ Zernike ）首次引進(jìn)了光學(xué)相干度的概念，用以表述成像面不同位置處波面的相關(guān)性。其后，Hopkins，Born 和 Wolf 對(duì)部分相干問(wèn)題作了更系統(tǒng)的闡述。對(duì)于特定成像系統(tǒng)，其相干性質(zhì)可通過(guò)相干尺度與點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)有效寬度的比較來(lái)確定。對(duì)于處于不同相干狀態(tài)的兩點(diǎn)，其在像面的合成強(qiáng)度分布顯然是不同的，也就是說(shuō)相干狀態(tài)與分辨率有關(guān)。另一方面，光源的相干性也在不斷提高，尤其是六十年代激光器的發(fā)明，令光學(xué)儀器裝配的光源相干度越來(lái)越高。在這一背景下 Diana Grimes 和 Brian Thompson 比較系統(tǒng)的研究了光源相干度對(duì)分辨率的影響。他們給出了不同相干度下，兩個(gè)點(diǎn)光源通過(guò)單透鏡成像的一維光強(qiáng)分布。

4.變跡術(shù)實(shí)現(xiàn)超分辨：

變跡術(shù)是一種通過(guò)改變光學(xué)系統(tǒng)的光瞳函數(shù)進(jìn)而改變衍射像光強(qiáng)分布（點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)）的方法。光學(xué)成像系統(tǒng)光瞳函數(shù)的定義為入瞳面的透過(guò)率空間分布，或相對(duì)應(yīng)出瞳面的透過(guò)率空間分布。眾所周知，對(duì)于一般的光瞳函數(shù)，光瞳內(nèi)的空間透過(guò)率為1。光瞳之外的空間透過(guò)率為0。

因此，由于衍射效應(yīng)，點(diǎn)物通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像通常為一光斑。光瞳若為圓孔，則成像為愛(ài)里斑；若為方孔，則成像為sinc平方衍射斑。當(dāng)在光瞳位置插入某些光學(xué)器件（光學(xué)掩膜、錐型棱鏡、雙折射晶體等）即可改變光學(xué)成像系統(tǒng)的光瞳函數(shù)。這些器件就被稱(chēng)作光瞳濾波器。光瞳濾波器的加入可以引起點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的變化主要有兩種，一種變化是降低點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的旁瓣強(qiáng)度，以提高成像的對(duì)比度。另一種變化就是減小點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)主瓣寬度，以提高圖像的分辨率。

審核編輯 ：李倩