光學(xué)超分辨技術(shù)綜述

摘要：由于無論是源于人類本身對(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能夠觀測的最小尺度， 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)革新來盡可能地提高觀測系統(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， 以滿足人類對(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)開始使用 32nm工藝，并且正在開發(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不同部分的成像作用分為近場光學(xué)超分辨技術(shù)和遠(yuǎn)場光學(xué)超分辨技術(shù)。近場光學(xué)超分辨技術(shù)的主要思想是采用光纖探頭等探測裝置對(duì)物體表面進(jìn)行掃描， 探測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， 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和大數(shù)值孔徑的透鏡成像， 由于受遠(yuǎn)場衍射效應(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)同步開始了。

三、近場超分辨技術(shù)

與采用短波非可見光成像相比，近場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)的可探測的物理量也隨之發(fā)生變化， 再通過對(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）問世，使其成為了利用近場掃描成像概念產(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。其中掃描近場光學(xué)顯微鏡和光子掃描隧道顯微鏡是通過檢測物體表面非輻射場的倏矢波來實(shí)現(xiàn)成像的，屬于典型的近場光學(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題， 而且該類技術(shù)是一種接觸型測量技術(shù)，容易造成樣品和探針的損傷。

四、遠(yuǎn)場光學(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)場光學(xué)超分辨技術(shù)。在通常意義下，遠(yuǎn)場光學(xué)超分辨技術(shù)指的是在遠(yuǎn)場光學(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 提出的有限視場超分辨理論。

在這一研究中 Toraldo 首次將超分辨天線概念引入到了光學(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。也就是說通過光學(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)可通過相干尺度與點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)有效寬度的比較來確定。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率空間分布，或相對(duì)應(yīng)出瞳面的透過率空間分布。眾所周知，對(duì)于一般的光瞳函數(shù)，光瞳內(nèi)的空間透過率為1。光瞳之外的空間透過率為0。

因此，由于衍射效應(yīng)，點(diǎn)物通過光學(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