超显背后那些事：结构光照明显微成像技术SIM（文末有好礼）

普通光学显微镜的成像分辨率限制可以通过理想物点成像进行解释。理想物点通过显微镜光学系统成像后，像点会形成一个光斑分布，光斑在空间内的能量分布可以使用点扩散函数进行描述。通过对点扩散函数进行傅里叶变换，可获得显微系统的光学传递函数。

显微系统的光学传递函数可以看作是一个低频滤波器，其限制了通过显微系统的信息量，只允许低频信息通过系统，而滤除具有更多细节存在的高频信息，即限制了系统的空间分辨率，这就是显微镜光学系统成像空间分辨率极限的由来。

结构光照明显微镜实现超高分辨的原理，就是利用特定结构的照明光，在成像过程中把位于光学传递函数范围外的一部分高频信息“搬运”到低频区域，在成像系统捕捉到样品原有的低频信息和经过“搬运”后的高频信息之后，再利用特定算法将范围内的高频信息“还原”到原始位置，从而扩展通过显微系统的样品频域信息，使得重构图像的分辨率超越衍射极限的限制。

图1、结构光照明获得样品高频信息的原理

分辨率提升的原理也可以通过摩尔条纹进行解释，由图1a所示，当两个具有高频率图案的图像1（频率信息k1）和图像2（频率信息k2）叠加时，会产生一些低频的“摩尔条纹”图像3（频率信息k3），图像3内具有的低频信息很容易被显微成像系统准确捕捉。此时，如果已知图像1的频率信息k1，就可以将图像2的频率信息k2“解调”出来，系统整体可探测频率范围可以由k3拓展到k2=k3+k1。通常来说，结构光照明显微镜的空间分辨率可以提高到传统光学显微镜的2倍，即100nm左右。

图2、结构光照明实现方式

通过改变宽场荧光显微镜照明光的光强分布就可以得到结构光照明荧光显微镜，因此，结构光的发生装置是这类显微镜的关键。由图2所示，产生结构光的方式有光栅、空间光调制器、棱镜等。用光栅举例，在照明光路中插入一个光栅，照明受到光栅调制后经物镜投影在样品上，在样品的聚焦平面上将受到调制照明的照射，而在远离聚焦平面处则不被调制，受调制的聚焦平面信息和不受调制的非聚焦平面信息将同时进入成像探测器，改变照明的调制相位并成像，即可获得一组不同调制相位的图像。