摘要：由于無論是源于人類本身對未知世界探索的渴望， 還是現代工程技術的各種需要，對微觀領域的高分辨率成像都是一個十分重要的研究方向， 故本文對國內外光學超分辨技術研究的歷史和現狀做出綜述是十分必要的。

一、 背景及意義

人類對未知領域的探索永遠是促進科學進步的最強大動力。在眾多未知領域中我們身邊的微觀世界無疑是最令人著迷的。在這一領域中既涉及到生物細胞、遺傳基因這些關乎我們自身的重要元素， 又涉及到分子結構、 基本粒子這些構成我們關于物質知識的核心命題。也只有對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， 宇宙是否存在物質的最小極限這樣的物理學中的基本問題。而研究往往始于觀察， 成像又是觀察的最基本手段。所以尋找對微觀物質高分辨率成像的方法， 制造對微觀物質高分辨率成像的儀器， 就成為了研究微觀領域必不可少的首要一環(huán)。正是推動科學本身進步這一要求， 使科研人員不斷地采用各種各樣的技術革新來盡可能地提高觀測系統的分辨率和有效信息獲取量，并盡可能地重建和恢復原始自然圖像， 以滿足人類對未知的微觀世界知識獲取的渴望。

另一方面，在技術層面上，隨著許多新興的超精密工程學的發(fā)展， 人們提出了納米 級與 亞納 米級 分辨率 成像 的要 求。如在巨 大規(guī) 模集成電路（ GigaScaleIntegration circuits ）制造中，已經開始使用 32nm工藝，并且正在開發(fā)22nm 工藝；在納米技術的研究中，從上世紀七十年代，首先提出使用單分子作為電子器件開始， 到現在研制中的各種微納機電系統， 各個研究對象的線度也都在數微米到幾納米之間；而在現代生物科技和現代醫(yī)學技術的發(fā)展中，人們不但提出了對大生物分子在納米級和亞納米及三維成像的要求， 甚至還希望能對活性樣品進行動態(tài)檢測和顯微操作。這就要求圖像和數據同步、 動態(tài)地顯示在我們面前。

為達到以上要求，人們應用了光學、微電子、計算機、機械制造、信號處理等各個學科的最新成果，來制造先進的現代成像系統。在這些現代成像系統中，又以現代光學成像系統，應用最為廣泛。現代光學成像系統除了具備簡單高效、使用方便、造價相對較低等傳統光學成像系統的特性外， 還具有更高的時間和空間成像分辨率， 突破了傳統意義上的衍射成像分辨率極限。而研究使光學成像系統突破衍射成像分辨率極限， 獲得高分辨率成像的相關方法也逐漸成為了一個獨立的課題——光學超分辨技術。

光學超分辨技術又可以根據成像系統對物體反射或透射光場不同部分的成像作用分為近場光學超分辨技術和遠場光學超分辨技術。近場光學超分辨技術的主要思想是采用光纖探頭等探測裝置對物體表面進行掃描， 探測物體表面的倏逝波并對其成像， 已達到提高成像分辨率的目的。遠場光學超分辨技術則是在傳統的光學顯微成像系統的基礎上應用光瞳濾波、 共焦掃描、熒光顯微技術以及其他各種頻帶展寬技術，實現成像分辨極限的突破。

二、歷史與現狀

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

隨著光學理論的發(fā)展和對顯微系統成像質量評價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就是瑞利（Rayleigh ）判據。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的兩點分辨率標準。它的內容是，一個具有圓形光瞳的衍射置限系統， 對兩個非相干點光源進行成像， 若一個點光源產生的愛里斑強度圖樣的中心正好落在另一個點光源所產生的愛里斑的第一零點上， 則認為這兩個點光源之間的距離是這個成像系統能夠分辨的最小距離。根據瑞利的定義， 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 是光學系統的數值孔徑。因此為了提高光學系統的成像分辨率，當時人們在透鏡結構設計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值孔徑的透鏡成像， 由于受遠場衍射效應的影響， 光學系統的分辨率仍不能突 200nm。所以在很長一段時間里，建立在傳統光學理論上的瑞利判據就被看做是光學系統成像的分辨率極限。人們對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上的嘗試， 也在瑞利判距這一概念確立時同步開始了。

三、近場超分辨技術

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現了超越衍射分辨極限的顯微技術。這一技術的實現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， 當探針與成像物體間的距離發(fā)生變化時， 相應的可探測的物理量也隨之發(fā)生變化， 再通過對變化的物理量進行記錄， 就可以利用計算機重構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世紀20 年代，但限于當時技術的水平，其一直沒有得到很大的發(fā)展。直到上世紀八十年代，微電子學的蓬勃興起， 為實現近場掃描成像提供了必要的技術條件。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生的首款高分辨率成像設備。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 年的諾貝爾物理學獎。除掃描隧道顯微鏡外，利用類似思想實現高分辨率成像的設備還有， 掃描力顯微鏡 （SFM），原子力顯微鏡 （AFM），掃描近場光學顯微鏡 （SNOM），光子掃描隧道顯微鏡 （PSTM）等等。其中掃描近場光學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現成像的，屬于典型的近場光學超分辨技術。這種方法可以獲得很高的空間分辨率，例如 ：掃描近場光學顯微鏡的橫向分辨率可以達到λ/20-λ/25，光子掃描隧道顯微鏡的橫向空間分辨率可以達到1nm，縱向空間分辨率可達到約 0.2nm。

但以上技術對掃描探針和待測樣品提出了相當高的要求。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。掃描近場光學顯微鏡由于對生物樣品的靈敏度較低， 須對觀察樣品進行染色， 從而不能保持生物樣品的活性。另外，采用這類方法時還要面對掃描探針顯微鏡的價格昂貴， 成像速度低，成像范圍小以及對成像結果解釋存在不一致等問題， 而且該類技術是一種接觸型測量技術，容易造成樣品和探針的損傷。

四、遠場光學超分辨技術

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

這種技術就是本文將重點研究的遠場光學超分辨技術。在通常意義下，遠場光學超分辨技術指的是在遠場光學成像系統中所采用的一系列技術上的手段。通過對這些方法的應用， 光學成像系統的成像分辨率可以超越經典衍射極限。這些方法雖然在理論基礎上有一定的關聯， 但它們研究時的出發(fā)點以及對光學系統改造的具體方式還是有所不同的。在遠場光學超分辨技術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領域。并在總結前人的研究基礎之上重申了噪聲對光學衍射效應的影響。他還具體描述了環(huán)形超分辨光瞳濾波器的設計方法， 這些均對各種遠場光學超分辨技術的產生和發(fā)展有著深刻的影響。如以下技術：

1.超分辨圖像復原和重構技術：

超分辨圖像復原和重構技術是圖像后處理技術中的一種，又被稱為帶寬外推。它是對生成圖像進行量化后，再使用數學方法進行處理，以提高圖像分辨率的一種技術。因此不涉及對光學系統進行任何物理上的改造。

2.基于傅里葉光學理論的超分辨技術：

與瑞利觀點相似，阿貝也認為光學成像系統的數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光學系統的頻域分析而做出的。根據傅里葉光學理論，對圖像進行二維傅里葉變換之后，圖像的細節(jié)對應著高頻分量。也就是說通過光學系統的帶寬越高，最終的成像分辨率也就越高。而光學成像系統因為孔徑有限，可以看做是一個低通濾波器，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：

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之上的， 這與瑞利本人所處的時代相關。到了20世紀，一方面，相干光學理論不斷完善。1938 年澤尼克（ Zernike ）首次引進了光學相干度的概念，用以表述成像面不同位置處波面的相關性。其后，Hopkins，Born 和 Wolf 對部分相干問題作了更系統的闡述。對于特定成像系統，其相干性質可通過相干尺度與點擴散函數有效寬度的比較來確定。對于處于不同相干狀態(tài)的兩點，其在像面的合成強度分布顯然是不同的，也就是說相干狀態(tài)與分辨率有關。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 比較系統的研究了光源相干度對分辨率的影響。他們給出了不同相干度下，兩個點光源通過單透鏡成像的一維光強分布。

4.變跡術實現超分辨：

變跡術是一種通過改變光學系統的光瞳函數進而改變衍射像光強分布（點擴展函數）的方法。光學成像系統光瞳函數的定義為入瞳面的透過率空間分布，或相對應出瞳面的透過率空間分布。眾所周知，對于一般的光瞳函數，光瞳內的空間透過率為1。光瞳之外的空間透過率為0。

因此，由于衍射效應，點物通過光學系統成像通常為一光斑。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。當在光瞳位置插入某些光學器件（光學掩膜、錐型棱鏡、雙折射晶體等）即可改變光學成像系統的光瞳函數。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擴展函數的變化主要有兩種，一種變化是降低點擴展函數的旁瓣強度，以提高成像的對比度。另一種變化就是減小點擴展函數主瓣寬度，以提高圖像的分辨率。

審核編輯 ：李倩