光学超分辨技术综述

摘要：由于无论是源于人类本身对未知世界探索的渴望， 还是现代工程技术的各种需要，对微观领域的高分辨率成像都是一个十分重要的研究方向， 故本文对国内外光学超分辨技术研究的历史和现状做出综述是十分必要的。 
 
一、 背景及意义 
 
人类对未知领域的探索永远是促进科学进步的最强大动力。在众多未知领域中我们身边的微观世界无疑是最令人着迷的。在这一领域中既涉及到生物细胞、遗传基因这些关乎我们自身的重要元素， 又涉及到分子结构、 基本粒子这些构成我们关于物质知识的核心命题。也只有对微观世界的深入研究才能让我们回答诸如什么是人类能够观测的最小尺度， 宇宙是否存在物质的最小极限这样的物理学中的基本问题。而研究往往始于观察， 成像又是观察的最基本手段。所以寻找对微观物质高分辨率成像的方法， 制造对微观物质高分辨率成像的仪器， 就成为了研究微观领域必不可少的首要一环。正是推动科学本身进步这一要求， 使科研人员不断地采用各种各样的技术革新来尽可能地提高观测系统的分辨率和有效信息获取量，并尽可能地重建和恢复原始自然图像， 以满足人类对未知的微观世界知识获取的渴望。 
 
另一方面，在技术层面上，随着许多新兴的超精密工程学的发展， 人们提出了纳米 级与 亚纳 米级 分辨率 成像 的要 求。如在巨 大规 模集成电路（ GigaScaleIntegration circuits ）制造中，已经开始使用 32nm工艺，并且正在开发22nm 工艺；在纳米技术的研究中，从上世纪七十年代，首先提出使用单分子作为电子器件开始， 到现在研制中的各种微纳机电系统， 各个研究对象的线度也都在数微米到几纳米之间；而在现代生物科技和现代医学技术的发展中，人们不但提出了对大生物分子在纳米级和亚纳米及三维成像的要求， 甚至还希望能对活性样品进行动态检测和显微操作。这就要求图像和数据同步、 动态地显示在我们面前。 
 
为达到以上要求，人们应用了光学、微电子、计算机、机械制造、信号处理等各个学科的最新成果，来制造先进的现代成像系统。在这些现代成像系统中，又以现代光学成像系统，应用最为广泛。现代光学成像系统除了具备简单高效、使用方便、造价相对较低等传统光学成像系统的特性外， 还具有更高的时间和空间成像分辨率， 突破了传统意义上的衍射成像分辨率极限。而研究使光学成像系统突破衍射成像分辨率极限， 获得高分辨率成像的相关方法也逐渐成为了一个独立的课题——光学超分辨技术。 
光学超分辨技术又可以根据成像系统对物体反射或透射光场不同部分的成像作用分为近场光学超分辨技术和远场光学超分辨技术。近场光学超分辨技术的主要思想是采用光纤探头等探测装置对物体表面进行扫描， 探测物体表面的倏逝波并对其成像， 已达到提高成像分辨率的目的。远场光学超分辨技术则是在传统的光学显微成像系统的基础上应用光瞳滤波、 共焦扫描、荧光显微技术以及其他各种频带展宽技术，实现成像分辨极限的突破。 
 
二、历史与现状 
 
在研究光学超分辨成像技术时， 就必须首先提到显微术。超分辨技术在某种程度上可以认为是显微术发展的延伸。在 19 世纪，人们主要利用透镜成像原理进行显微成像，在光源选择上，也基本只采用可见光（ 400nm-760nm）。随着光学理论的发展和对显微系统成像质量评价方法研究的不断深入， 人们逐渐提出了分辨率的概念。在各种分辨率的定义中，广为接受并沿用至今的一个就是瑞利（Rayleigh ）判据。它是一种基于由瑞利和阿贝（ Abbe）提出的衍射分辨极限是由有限尺度光瞳决定的观点的两点分辨率标准。它的内容是，一个具有圆形光瞳的衍射置限系统， 对两个非相干点光源进行成像， 若一个点光源产生的爱里斑强度图样的中心正好落在另一个点光源所产生的爱里斑的第一零点上， 则认为这两个点光源之间的距离是这个成像系统能够分辨的最小距离。根据瑞利的定义， 可以证明在非傍轴情况下，这一最小距离可以表示为：δ=0.61 λ/NA其中， λ代表入射光的波长， NA 是光学系统的数值孔径。因此为了提高光学系统的成像分辨率，当时人们在透镜结构设计和光源选择方面投入了大量的工作。 
 
但即使利用近紫外线和大数值孔径的透镜成像， 由于受远场衍射效应的影响， 光学系统的分辨率仍不能突 200nm。所以在很长一段时间里，建立在传统光学理论上的瑞利判据就被看做是光学系统成像的分辨率极限。人们对这一极限是否可以被超越的思考和为突破这一极限而做的技术上的尝试， 也在瑞利判距这一概念确立时同步开始了。 
 
三、近场超分辨技术 
 
与采用短波非可见光成像相比，近场扫描成像是一种真正实现了超越衍射分辨极限的显微技术。这一技术的实现原理是利用可探测某种物理量的扫描探针接近成像物体表面， 当探针与成像物体间的距离发生变化时， 相应的可探测的物理量也随之发生变化， 再通过对变化的物理量进行记录， 就可以利用计算机重构出反映物体表面情况的图像。近场扫描成像概念的提出最早可以追溯到上个世纪20 年代，但限于当时技术的水平，其一直没有得到很大的发展。直到上世纪八十年代，微电子学的蓬勃兴起， 为实现近场扫描成像提供了必要的技术条件。1982年，扫描隧道显微镜（ STM）问世，使其成为了利用近场扫描成像概念产生的首款高分辨率成像设备。正是由于这一革命性的创造， 其发明者与电子显微镜的发明者分享了 1986 年的诺贝尔物理学奖。除扫描隧道显微镜外，利用类似思想实现高分辨率成像的设备还有， 扫描力显微镜 (SFM)，原子力显微镜 (AFM)，扫描近 
场光学显微镜 (SNOM)，光子扫描隧道显微镜 (PSTM)等等。其中扫描近场光学显微镜和光子扫描隧道显微镜是通过检测物体表面非辐射场的倏矢波来实现成像的，属于典型的近场光学超分辨技术。这种方法可以获得很高的空间分辨率，例如 :扫描近场光学显微镜的横向分辨率可以达到λ/20-λ/25，光子扫描隧道显微镜的横向空间分辨率可以达到1nm，纵向空间分辨率可达到约 0.2nm。但以上技术对扫描探针和待测样品提出了相当高的要求。如光子扫描隧道显微镜要求其光纤探针的尖端直径越小越好 ( 直径越小，分辨率越高 ) ，一般要求小于100nm，间端轮廓角要在60°~ 90°之间。而且要求具有高度稳定的观察环境。扫描近场光学显微镜由于对生物样品的灵敏度较低， 须对观察样品进行染色， 从而不能保持生物样品的活性。另外，采用这类方法时还要面对扫描探针显微镜的价格昂贵， 成像速度低，成像范围小以及对成像结果解释存在不一致等问题， 而且该类技术是一种接触型测量技术，容易造成样品和探针的损伤。 
 
四、远场光学超分辨技术 
可以看到，上述方法在获得高分辨率的同时， 或多或少地丧失了传统光学成像技术的一些优点，如简单易行，可靠性高，成本低，速度快，不对样本产生任何损伤，以及对比机制运用灵活等等。如果超分辨技术能够获得亚微米乃至纳米级的微观信息， 而又不丧失传统光学成像技术的诸多优点， 那么它的意义将是十分巨大的。这种技术就是本文将重点研究的远场光学超分辨技术。在通常意义下，远场光学超分辨技术指的是在远场光学成像系统中所采用的一系列技术上的手段。通过对这些方法的应用， 光学成像系统的成像分辨率可以超越经典衍射极限。这些方法虽然在理论基础上有一定的关联， 但它们研究时的出发点以及对光学系统改造的具体方式还是有所不同的。在远场光学超分辨技术的研究中最具里程碑意义的就是 1952 年由 Toraldodi Francia 提出的有限视场超分辨理论。在这一研究中 Toraldo 首次将超分辨天线概念引入到了光学领域。并在总结前人的研究基础之上重申了噪声对光学衍射效应的影响。他还具体描述了环形超分辨光瞳滤波器的设计方法， 这些均对各种远场光学超分辨技术的产生和发展有着深刻的影响。如以下技术： 
 
1.超分辨图像复原和重构技术：  
 
超分辨图像复原和重构技术是图像后处理技术中的一种，又被称为带宽外推。它是对生成图像进行量化后，再使用数学方法进行处理，以提高图像分辨率的一种技术。因此不涉及对光学系统进行任何物理上的改造。 
 
2.基于傅里叶光学理论的超分辨技术：  
 
与瑞利观点相似，阿贝也认为光学成像系统的数值孔径是限制成像分辨率的重要因素。不过阿贝的解释是基于对光学系统的频域分析而做出的。根据傅里叶光学理论，对图像进行二维傅里叶变换之后，图像的细节对应着高频分量。也就是说通过光学系统的带宽越高，最终的成像分辨率也就越高。而光学成像系统因为孔径有限，可以看做是一个低通滤波器，只能传递有限带宽的空间频率，所以最终成像的分辨率也一定有限。 
 
3.基于部分相干光理论的超分辨技术：  
 
瑞利的衍射分辨极限理论是建立在完全非相干光照明的基础之上的， 这与瑞利本人所处的时代相关。到了20世纪，一方面，相干光学理论不断完善。1938 年泽尼克（ Zernike ）首次引进了光学相干度的概念，用以表述成像面不同位置处波面的相关性。其后，Hopkins，Born 和 Wolf 对部分相干问题作了更系统的阐述。对于特定成像系统，其相干性质可通过相干尺度与点扩散函数有效宽度的比较来确定。对于处于不同相干状态的两点，其在像面的合成强度分布显然是不同的，也就是说相干状态与分辨率有关。另一方面，光源的相干性也在不断提高，尤其是六十年代激光器的发明，令光学仪器装配的光源相干度越来越高。在这一背景下 Diana Grimes 和 Brian Thompson 比较系统的研究了光源相干度对分辨率的影响。他们给出了不同相干度下，两个点光源通过单透镜成像的一维光强分布。 
 
4.变迹术实现超分辨： 
 
变迹术是一种通过改变光学系统的光瞳函数进而改变衍射像光强分布（点扩展函数）的方法。光学成像系统光瞳函数的定义为入瞳面的透过率空间分布，或相对应出瞳面的透过率空间分布。众所周知，对于一般的光瞳函数，光瞳内的空间透过率为1。光瞳之外的空间透过率为0。 
 
因此，由于衍射效应，点物通过光学系统成像通常为一光斑。光瞳若为圆孔，则成像为爱里斑；若为方孔，则成像为sinc平方衍射斑。当在光瞳位置插入某些光学器件（光学掩膜、锥型棱镜、双折射晶体等）即可改变光学成像系统的光瞳函数。这些器件就被称作光瞳滤波器。光瞳滤波器的加入可以引起点扩展函数的变化主要有两种，一种变化是降低点扩展函数的旁瓣强度，以提高成像的对比度。另一种变化就是减小点扩展函数主瓣宽度，以提高图像的分辨率。

来源：光行天下