跨越光学系统衍射极限分辨率的成像是当今光学工程与生物医学工程中的热点科学问题。《光学移频超分辨显微成像技术》提出普适性超越衍射极限分辨率的成像方法——移频超分辨光学成像，系统论述移频超分辨成像的原理与计算方法，介绍移频超分辨成像的特性、实现技术，以及分辨率极限等核心内容，论述移频成像方法在实际超分辨成像中的各种应用技术，同时从不同学科方向介绍对超分辨成像的认识与处理方法。

目录
前言
第1章 光学超分辨显微成像概论 1
1.1 光学显微成像技术概述 1
1.1.1 光学显微镜发展的历程与重要里程碑 1
1.1.2 光学显微成像基础 4
1.2 光学超分辨显微成像技术 14
1.2.1 激光扫描共焦显微术 14
1.2.2 结构光照明显微镜 16
1.2.3 荧光受激损耗显微镜 17
1.2.4 单分子荧光定位成像显微镜 19
1.2.5 其他超分辨显微技术 20
1.3 光学超分辨显微成像技术存在的问题与挑战 23
第2章 移频成像原理与特性 27
2.1 样品图像与成像系统的空间频谱 27
2.1.1 样品图像的空间频率 27
2.1.2 成像物体(样品)的空间频谱及对照明光的作用 29
2.2 移频成像的原理与反演方法 32
2.2.1 移频成像原理 32
2.2.2 移频成像的反演方法 36
2.3 移频成像的特性 49
2.3.1 移频成像特点 49
2.3.2 照明侧移频与探测侧移频 55
2.4 超分辨移频成像 57
2.4.1 超高频表面波的产生 57
2.4.2 深移频问题 59
2.4.3 宽移频的实现 62
2.5 小结 66
第3章 衍射极限内的移频成像技术 67
3.1结构光照明显微成像技术 67
3.1.1 结构光照明显微术原理 67
3.1.2 结构光照明显微成像系统 70
3.1.3 结构光照明显微算法 75
3.1.4 三维结构光照明显微技术 81
3.2 盲结构光照明显微成像技术 88
3.2.1 B-SIM技术原理 89
3.2.2 散射介质形成的盲结构光照明显微 91
3.2.3 DMD随机编码照明下的盲结构光照明显微成像 92
3.3 傅里叶频谱叠层显微技术 97
3.3.1 傅里叶频谱叠层显微成像原理 98
3.3.2 相干光照明的傅里叶频谱叠层成像技术 101
3.3.3 非相干光照明的傅里叶频谱叠层成像技术 107
3.3.4 傅里叶频谱叠层成像技术的应用 110
3.4 小结 113
第4章 跨越传播场波矢的移频超分辨光学成像 114
4.1 全内反射倏逝场宽场移频超分辨显微成像 114
4.2 平面波导照明宽场移频超分辨显微 119
4.3 表面等离子激元波宽场移频超分辨 132
4.3.1 表面等离激元大波矢倏逝场照明光波 132
4.3.2 基于大波矢SPW相干移频超分辨显微成像技术 137
4.3.3 基于大波矢SPW非相干移频超分辨显微成像技术 139
4.4 局域等离激元结构光照明超分辨显微成像技术 145
4.5 小结 147
第5章 非线性结构光照明显微宽场移频超分辨成像 148
5.1 荧光饱和效应的结构光照明显微 148
5.1.1 非线性结构光照明显微提高分辨率的原理 148
5.1.2 饱和结构光显微的实现原理 151
5.1.3 非线性结构光照明超分辨成像的通用方法 152
5.2 基于荧光光开关的非线性结构光照明显微技术 153
5.2.1 条纹激活非线性结构光照明显微 154
5.2.2 饱和条纹激活非线性结构光照明显微 156
5.2.3 饱和去激活非线性结构光照明显微 159
5.3 基于三维结构光照明的I5S显微成像及其非线性技术 160
5.3.1 基于三维结构光照明的显微成像 161
5.3.2 基于二维扫描振镜光斑调控的三维超分辨I5S显微成像 164
5.4 小结 172
第6章 扫描型移频超分辨光学成像 173
6.1 微纳光纤移动扫描照明成像 173
6.1.1 基本原理 173
6.1.2 系统装置 175
6.1.3 实验结果 177
6.2 探测侧移频成像 179
6.2.1 扫描图案探测显微技术 180
6.2.2 基于虚拟结构探测的超分辨扫描激光显微镜 181
6.2.3 虚拟k空间调制光学显微技术 183
6.2.4 基于饱和虚拟调制的超分辨率显微技术 186
6.3 照明侧点扫描结构光移频显微 190
6.3.1 多焦结构光照明显微镜 190
6.3.2 非线性焦斑调制显微技术 191
6.3.3 饱和图像融合技术 194
6.4 小结 197
第7章 片上移频超分辨显微成像 198
7.1 平板型片上移频超分辨显微系统 198
7.1.1 平板型片上移频成像的原理 198
7.1.2 平板片上移频芯片的制备 201
7.1.3 晶圆型深移频荧光标记超分辨成像实验 204
7.1.4 片上相干信号样品的移频成像 207
7.2 发光型片上移频超分辨显微成像 211
7.2.1 片上宽谱照明光源的制备 211
7.2.2 移频超分辨芯片的制备 212
7.2.3 片上发光系统移频超分辨的成像系统 214
7.2.4 移频超分辨芯片成像性能 215
7.3 集成波导型片上光学移频超分辨显微系统 221
7.3.1 集成光波导的制备方法 222
7.3.2 横向可调深移频超分辨成像方法 224
7.3.3 可调移频与缺频对比成像 227
7.4 小结 227
第8章 光学超分辨成像的分辨率极限探讨 228
8.1 光学成像分辨率的信息论模型 228
8

第1章光学超分辨显微成像概论
　　光学显微镜是人们获取微观世界信息的一种基本工具。光学显微成像的发展历程就是人类不断拓展对微观世界的认识过程。2009年，在显微镜发明近四百年之际，鉴于光学显微术对科学与技术发展的巨大贡献，《自然》杂志刊出专文论述了光学显微技术的发展，特别指出了光学显微镜发展的里程碑节点。回顾光学显微技术发展历程，将有助于我们了解与把握光学显微成像的发展脉络，加深对超分辨光学显微技术发展重要性的认识。
　　1.1光学显微成像技术概述
　　1.1.1光学显微镜发展的历程与重要里程碑
　　光学显微镜是人类探索微观世界的重要工具，其发展经历了漫长的历程。光学显微镜的发明人通常被认为是荷兰的詹森父子汉斯？詹森和撒迦利亚？詹森[1]。他们在1595年发明了显微成像的原型，但当时并没有用显微镜一词。意大利物理学家伽利略利用一个凸透镜和一个凹透镜在1609年发明了复合透镜显微镜“Occhwlmo”。1665年，英国科学家罗伯特？胡克利用组合透镜**次观察到生物的细胞，并*次提出显微（micrographia）—词，出版《Micrographia》一书[2]。此后，显微镜成为人类观测微观世界的基本手段。同时期的荷兰光学家列文？虎克于1674年制作出现在意义的光学显微镜，并**次看到细菌。
　　19世纪之前，显微镜都是依靠制作者的经验及不断的尝试制造的，并没有科学的理论根据，因此在成像质量和成像能力上提升缓慢。直到1873年前后，德国耶拿大学的物理教授阿贝建立了光学显微镜的成像理论[3]，填补了光学显微成像的理论空白。阿贝*次从理论上阐述了衍射与光学显微镜分辨率之间的关系，阿贝认为光学显微镜的分辨率大约是照明波长的二分之一，并提出著名的阿贝正弦公式[3]，即
　　（1-1）
　　其中，A是成像的光波波长；G是显微镜物镜的半收集角；n是物方折射率，光学成像系统的数值孔径为ram0。
　　式（1-1）实际上表明了一个光学成像系统的成像分辨率极限，对显微镜成像具有非常重要的意义。为了纪念阿贝对显微理论的贡献，阿贝正弦公式被刻在耶拿大学阿贝纪念碑的墓志铭上。
　　19世纪以后，随着显微镜理论的成熟与光学加工能力的增强，光学显微镜成像能力得到迅速提升，并被大量应用于各行各业，在不同的应用与需求中得以不断创新。20世纪之后，电子技术特别是信息技术的发展，促使光学显微成像技术有了巨大的发展。根据样品的不同，发展出了荧光显微术[4]、干涉显微术[5]、相衬显微术[6]、偏振显微术[7]、金相显徽术[8]等不同的光学显微技术；根据照明方式的不同，发展出了暗场照明显微术[9]、倒置显微术、正置显微术、光切片显微术、全内反射荧光显微术[11]、共焦显微术[12]等。如今光学显微镜已经成为科学家和各行业工程师对微小目标观察不可或缺的分析与成像仪器。
　　光学显微镜在发明时只是为了观测微小物体，胡克*早用它观察头发、树木皮层、植物细胞等样品。随着时间的发展，人们就利用它开始向人眼无法观察、无法分辨的各种相位样品与荧光样品等特殊需求的样品观测能力方向发展。2009年，《自然》杂志上刊登的光学显微镜及历史关键事件如表1-1所示[13]。
　　由此可以看出光学显微镜发展脉络与发展的趋势，自发明之时起，光学显微镜就以如何提高显微镜显微成像性能，从低分辨率向高分辨率的显微成像发展为主线，即从看得见起步，向看得更清晰发展；不断发展新型成像技术，扩大光学显微的观测样品种类与范围，从而提升人类对微观世界的认识与观测能力。
　　近50年来，不断发展的显微成像技术先后五次获得诺贝尔奖，分别是1934年泽尼克提出的相衬显微镜，解决了生物细胞类相位样品的观测问题，获得1953年的诺贝尔物理学奖；1982年的电子显微镜技术，利用电子极端波长获得极高分辨率的晶体结构与图像，获得诺贝尔化学奖；1986年的诺贝尔物理学奖颁给燧道电子显微镜和STM，解决了原子尺度分辨率的观测，特别是利用近场的燧道效应实现超分辨成像的问题；2014年的诺贝尔化学奖颁给超分辨荧光显微镜，解决了利用荧光非线性实现超分辨远场成像的难题；2017年诺贝尔化学奖颁给冷冻电子显微镜技术，解决了电子显微镜无法观测生物质细胞类样品的难题。
　　由于光学显微系统衍射极限的限制，光学显微镜的分辨率一般都限制在二分之一波长左右（可见光区的分辨率在200nm左右）。20世纪下半叶，随着**光学显微镜技术的提升与成熟，高端显微镜的成像性能都已经接近并达到衍射极限，人们开始追求如何获得更高分辨率的光学显微成像，因此常把超过二分之一波长分辨率的显微成像称为超分辨光学显微成像。特别是，从20世纪后期到21世纪初，光学超分辨显微技术有了长足的发展，发展出各种类型，针对不同样品花样繁多的超分辨成像技术，其中只有少数进人实际应用，大部分还是处于研究之中。图1-1所示为超分辨显微相关的光学显微技术的发展历程。特别是，20世纪90年代后期，人类在超分辨显