光的存在不仅赋予人类生命的力量，并且指引人类探索生命本质的奥秘。早期，人们将玻璃磨制成各种透镜，将这些透镜组合起来就能形成一台光学显微镜，可以在光照下观察微小的植物和动物。
最早的光学显微镜是由荷兰眼镜商亚斯·詹和森荷兰科学家汉斯·利珀希于16世纪末制造出来的。后来著名的意大利科学家伽利略使用光学显微镜第一次对昆虫的复眼进行了详细的研究。荷兰亚麻织品商人安东尼.列文虎克也自己学会了磨制透镜，并第一次描述了许多肉眼看不见的微小植物和昆虫。
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在早期，人们认为到底能看到多小的东西是由制造显微镜镜头的工艺以及成像像差决定的。直到1873年，德国人E.阿贝首次提出“衍射极限”理论：由于光的衍射性质，任何光学显微镜都存在一个分辨率极限，由光波长以及透镜的数值孔径决定，而非像差和镜头工艺。“衍射极限”又存在了100多年，其间出现了具有里程碑意义的共聚焦显微镜，但它仍受衍射极限限制。
直到近代出现了以2014年诺贝尔化学奖为代表的突破“衍射极限”的超分辨光学显微术，才开启了人类观察细胞的大门。尽管人类的光学显微技术已进入“超分辨时代”，但目前的超分辨显微术又遇到了新的难题——对荧光标记的强依赖性、激发光高光强对生物细胞的毒性，以及信噪比低、像差干扰、成像速度慢等。
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为了克服这些挑战，我们团队研发出两种新型超分辨光学显微成像方法。第一种我们称为虚拟波矢调制显微术（Virtualk-space modulationmicroscopy，Vikmom）。何为“虚拟波矢调制”呢?简而言之，物体被激发光照明后，会发出具有各种大小波矢的光，这些光的波矢越大，携带的物体高频信息越多，形成的图像分辨率就越高。
以往人们在激发光上想办法，通过激发光与物体的作用改变物体发出的光波矢分布，使得更多的高频信息被成像系统获得。而我们提出一种探测端的调制方法，只须对采集到的信息（不同波矢的光）进行不同类型的人为采样编码 （虚拟调制），再通过一种独特的迭代算法即可获得物体的超分辨图像，故称为Vikmom。
我们将Vikmom与当今最流行的Airyscan、结构光显微镜（SIM）以及获得了诺贝尔奖的受激发射减损显微镜（STED）技术做了对比，发现Vikmom 具有更强的超分辨能力、更优越的抗噪力以及相差矫正能力和切片能力。此外，在获得同样分辨率的情况下，Vikmom降低了对激光光强的要求，增强了对活体生物细胞的友好性。目前，团队利用Vikmom已成功复原了牛肺动脉内皮细胞和人体星型胶质细胞的内部构造，清晰地记录了它们活体状态下动态的活动过程。
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考虑到目前超分辨成像对荧光标记的依赖性，团队在近几年内一直致力于开发无标记的超分辨成像方法，并取得了非常可观的进展。在近两年内，团队成功实现了利用纳米线环形照明来获得纳米级别的分辨率。
换句话说，小到纳米级别的东西，只要放在一个环形纳米线内，就能把它看清楚。我们认为这是纳米线发出的大波矢光带来的超分辨效果：放在环形纳米线内的物体在受到全方位大波矢光照明后，其频谱分布会发生变化，高频成分会转移到低频段从而被物镜接收，以形成超分辨图像。
团队已在集成芯片、蓝光DVD、3T3l1癌细胞上验证了该方法，并可得到1000平方微米的视场。这种方法最大的优势在于无需荧光标记，对活体细胞不会产生任何伤害，可以很方便地集成在传统显微镜上，几乎无须对系统进行改变，就可以方便地打破衍射极限，获得超分辨图像，而且成像速度快。
下一步，团队的目标是将以上提出的两种方法与实际生物学应用密切结合，计划能对活细胞肌动蛋白、细胞外泌体、细胞DNA构象等进行实时活体成像，并将已有的技术发展为多种超分辨系统模块，开展多种超分辨系统与仪器的开发。
致谢：感谢国家973计划项目“纳米分辨快速光学成像机理与技术的基础研究”（课题编号：2015CB352003）的支持。
刘旭：长江学者特聘教授，浙江大学教授，国家 973 计划项目首席科学家。
匡翠方、杨青：浙江大学教授，浙江大学青年求是学者。
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