1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
将普通光学显微镜的均匀照明替换为光场具有空间结构分布的照明，可为显微镜增添超分辨和光切片的新功能。结构光照明显微（SIM）技术与传统宽场光学显微镜具有良好的结构兼容性，继承了传统光学显微镜非侵入、低光毒性、低荧光漂白、快速成像的优点。其高时空分辨率和三维光切片能力非常适合活体细胞或组织的观测，受到生物医学和光学界的持续关注。快速产生高对比度、高频率的结构光场并进行快速相移和旋转调控是SIM的核心技术。近年来基于数字微镜器件（DMD）调制的SIM（DMD-SIM）发展迅速，它利用DMD高刷新率、高光通量、偏振不敏感的优势，克服了传统器件如物理光栅和液晶空间光调制器在调控速度上的缺点。本综述首先介绍了SIM超分辨和光切片的基本原理，然后着重阐述了DMD-SIM通过光投影和光干涉产生结构光照明及调控光场的方法，对当前的DMD-SIM研究进展进行了归纳评述，总结了DMD-SIM的优缺点，最后对DMD-SIM面临的挑战和发展趋势进行了展望。
光学显微 结构光照明显微 超分辨 光切片 数字微镜器件 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618001
深圳大学物理与光电工程学院，深圳市光子学与生物光子学重点实验室，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
为进一步提高双光子多焦点结构光照明显微技术（2P-MSIM）的空间分辨率，笔者提出并发展了一种双光子亚衍射多焦点结构光照明显微成像方法（2P-sMSIM）。首先，通过改进的Gerchberg-Saxton（GS）相位恢复算法设计亚衍射聚焦点阵，生成相位图，利用高速相位型空间光调制器产生亚衍射聚焦点阵。通过计算机模拟的仿真实验，探究算法的可行性，并通过对荧光染料溶液的激发成像，证明了每个亚衍射聚焦点阵的平均尺寸为正常衍射受限点阵聚焦点尺寸的80%。其次，将该点阵引入2P-MSIM系统，对固定在BS-C-1细胞内的微管和商用线粒体切片分别进行了超分辨成像实验，证明了在亚衍射聚焦点阵激发下，2P-MSIM的分辨率和成像质量得到了进一步提高，这对于2P-MSIM的发展具有重要意义。
生物光学 多焦点结构光照明显微 亚衍射聚焦点阵 空间光调制器 相位恢复 中国激光
2023, 50(15): 1507103
1 西安电子科技大学物理学院，陕西 西安 710071
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
光学显微具有对样品损伤低、可特异性成像等优点，是生物医学、生命科学、材料化学等多个领域中必不可少的成像手段。然而，传统光学显微镜多采用平行光照明整个样品，无法有效区分在焦信号和离焦背景，不具备三维层析成像能力。基于此，提出一种基于共振扫描的稀疏结构光照明三维层析显微（SSI-3DSM）技术，通过共振扫描聚焦光斑快速生成稀疏条纹结构光，利用多步相移减除背景噪声实现对待测样品的三维层析成像。相较于扫描宽场成像，该方法将轴向分辨率提升1.3倍，信背比提升12倍。此外，该技术性能稳定、成本较低、便于商业化开发，可与结构光照明、单分子定位等超分辨显微成像技术相结合以进一步提高横向分辨率。
成像系统 结构光照明显微 共振扫描 数字共聚焦显微 大深度成像 三维层析成像 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811016
戴太强 1,2,3,4高晔 1,2,3,4马英 5蔡卜磊 1,2,3,4[ ... ]孔亮 1,2,3,4,*
1 军事口腔医学国家重点实验室，陕西 西安 710032
2 国家口腔疾病临床医学研究中心，陕西 西安 710032
3 陕西省口腔疾病临床医学研究中心，陕西 西安 710032
4 第四军医大学口腔医院 颌面外科，陕西 西安 710032
5 西安电子科技大学 物理学院，陕西 西安 710171
观察细胞器间动态相互作用，深入分析作用规律，对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制，无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段，在深入揭示细胞器相互作用规律，阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗（Stimulated emission depletion, STED）显微成像、结构光照明显微成像（Structured illumination microscopy, SIM）、单分子定位显微成像（Single molecule localization microscopy, SMLM）技术，并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状，为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后，对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结，展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势，为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。
超分辨显微成像 细胞器间相互作用 受激发射损耗显微成像 结构光照明显微成像 单分子定位显微成像 super-resolution microscopy organelle interaction stimulated emission depletion microscopy structured illumination microscopy single molecule localization microscopy 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220622
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
3 东莞理工学院电子工程与智能化学院，广东 东莞 523808
提出一种利用调制深度响应曲线的全局信息进行重叠峰识别的结构光照明显微术，采用有边界约束的最优化算法解析得到薄膜样本各表面的高度，进而实现厚度分辨力高、精度高、计算速度快的膜层厚度分布测量与表面形貌重构。根据仿真分析，在理想条件下所提方法可将厚度检测分辨力从483 nm提升至175 nm，并通过实验证明了所提方法可减少迭代次数，且具有较高的重复性精度。
测量 光学检测 结构光照明显微术 光学薄膜 调制深度响应 厚度检测 光学学报
2022, 42(20): 2012001
超分辨显微成像技术是生物医学领域的重要成像工具，它通过突破光学衍射的极限，以纳米级尺度解析大脑神经元的结构，其在活体大脑成像中的应用对于神经科学的发展具有重要影响。由于组织光散射、生物相容性、成像系统兼容性等因素，超分辨显微成像技术在活体大脑成像的深度、速度、时间等方面都受到限制。基于传统的双光子显微成像策略，本文介绍了目前应用于活体大脑成像的受激发射损耗显微成像和结构光照明显微成像的研究进展，分析了它们存在的困难和挑战，最后总结了应对挑战的思路并对未来的发展进行了展望。
中国激光
2022, 49(20): 2007301
深圳大学物理与光电工程学院, 光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室, 广东 深圳 518060
二次谐波产生(SHG)成像技术是一种针对非中心对称生物组织的免标记成像技术,已经成为生命科学研究的重要手段。衍射极限使得SHG技术无法分辨衍射极限以下的精细结构。虽然超分辨显微技术取得了突破性进展,但是SHG的相干非线性过程限制了SHG超分辨显微技术的发展。提出了一种点扫描结构光照明SHG超分辨显微(SHG-psSIM)技术,实现了氧化锌颗粒和小鼠尾腱的超分辨SHG显微成像。在传统的SHG显微系统的激发光路中引入电光调制器,通过对激发光正弦调制产生点扫描结构照明图案。基于点扫描结构照明图案与样本结构相互作用产生的莫尔条纹效应,将原本不可探测的样本高频信息搬移到显微镜通频带内,并利用光电倍增管探测。最后,利用软件重构出超分辨率图像。对比传统SHG系统,SHG-psSIM分辨率提高了1.86倍。
显微 二次谐波产生 二次谐波产生显微 结构光照明显微 超分辨显微 光学学报
2022, 42(10): 1018001
天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
细胞是生命体的基本单位和功能单位, 对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一, 因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制, 无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来, 随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展, 超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而, 大多数超分辨显微方法或测量耗时长, 或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤, 在活细胞研究中受到极大限制, 已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此, 文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上, 介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术, 并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后, 文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。
超分辨显微技术 单分子定位显微技术 受激发射损耗显微技术 结构光照明显微技术 super-resolution microscopy single molecule localization microscopy stimulated emission depletion microscopy structured illumination microscopy 红外与激光工程
2017, 46(11): 1103002
