光学超分辨技术综述——微光学小论文.doc

光学超分辨技术综述——微光学小论文光学超分辨技术综述学号: SA14009025 姓名:邱金峰摘要: 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( Giga ScaleIntegration 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