超分辨成像技术漫谈

▲ “科学三分钟”大赛倒计时 6 天

长城

其实人眼的分辨率很有限，只有0.3角分左右，即便在二百公里左右的近地点轨道高度上，不考虑任何天气因素，人眼至多看清17米以上的目标，因此对于宽度不过七八米的长城，确实有心无力了。当然了，若是不考虑“看清”，而只是“看到”，那么只要在夜间将长城照的灯火通明，太空中的宇航员就有可能“看到”长城了。不过这就像远远看到商店的霓虹灯箱，却看不清楚灯箱的字一样，不属于我们此处讨论的范畴。

200公里左右太空看长城效果示意图

成像系统的分辨率之所以会受到限制，除了光学元件存在像差之外，更重要的原因是光波存在衍射效应，使得一个理想无限小的点物体发射的光波通过系统成像后，由于成像系统口径有限，物体光的高频成分被阻挡，最终参与成像的只有物体光波的低频成分（因此传统成像系统本质上相当于一个低通滤波器），使得最终的像不再是一个无限小的理想点，而成为了一个弥散的亮斑，称为“艾里斑”。

因此当两个点物体距离较近时，它们通过成像系统后形成的两个艾里斑就会重叠到一起无法分辨，两个物点恰能分辨的距离就是极限分辨距离，对应的张角即为极限分辨角，这就是著名的“瑞利判据”。科学家发现，通常情况下该极限分辨率与光的波长（λ）、成像系统口径（D）和数值孔径（NA）等参数有关。

瑞利判据

为了获得更好的成像效果，科学家尝试了许许多多的方法：在光刻系统中使用越来越短的光波（如目前因特尔等芯片企业已开始使用极紫外光），扩大成像系统口径（如天文望远镜口径已达到10米以上），增加成像系统数值孔径（如显微成像系统使用浸油等方式获得更大的NA）等，但这些方法都未能摆脱理论极限的影响。

“衍射极限”仿佛是一片笼罩在头顶的阴霾，成为了看似坚不可摧的障碍。为了能够打破这个枷锁和桎梏，实现超分辨成像，科学家们脑洞大开，展现出了无穷的智慧。

2014年获得诺贝尔奖的STED成像技术，就是典型的开脑洞的结果。大家可以来思考这样一个问题，如何用一根两毫米粗的铅笔画出一毫米细的线呢？答案就是，再给我一块橡皮，把边缘擦掉。STED技术就利用了这样一种思路，既然衍射效应使得弥散斑的存在不可避免，那就找块“橡皮”把弥散斑边缘擦除掉，这样就可以获得突破衍射极限的成像效果了。STED的全称为“受激辐射损耗成像技术”[1]，是一种超分辨荧光成像技术，通常使用两束不同波长的光照射荧光物质，一束光是“铅笔光”，用来激发荧光；另一束光是“橡皮光”，用来抑制荧光。“铅笔光”往往是实心光斑，而“橡皮光”则是空心光斑，嵌套在一起，就能起到超分辨成像的效果。

STED荧光成像技术

作为一个低通滤波器，传统光学系统损失了很多高频成分的物光波，因此无法突破衍射极限。随着近场光学的发展，科学家逐渐认识到，实际上还有很多高频的物光波以“倏逝波”的形式束缚于物体表面，无法进入成像系统。所谓“倏逝波”，是指这种光波的强度在垂直表面的方向上以指数形式急剧衰减。如果有方法可以将这种近场的“倏逝波”利用起来，则可以实现超分辨成像，“扫描近场光学显微镜（SNOM）”应运而生[2]。SNOM的实现方法并不唯一，有的通过一根极细的波导将近场光传导出来，有的则是利用极细探针的作用将近场光散射出来，参与成像。

扫描近场光学显微成像技术

中学时我们曾经学过光的折射定律，描述了光波在不同折射率的两种物质间传播时，折射角与折射率的关系。通常物质的折射率是正值，因此入射光和折射光位于法线的两侧。若折射率为负值，则入射光与折射光位于法线的同侧，这种新颖的光学材料也被称为“负折射材料”。