光学衍射极限的突破

光学衍射极限的突破

纪岚森，仵云龙，李岷池，贺杰

（青岛大学物理科学学院2011级材料物理1班）

摘要：由于光学衍射极限的存在，使得在电子科技上边很难达到人们期望的高分辨率，然而

光学衍射极限并不是不能克服的。除了减小光波长与增加孔径外，我们还可以通过改变光路

来突破艾里斑衍射极限。减小艾里斑在很多的方面都有极其重要的意义，这里讲述的是艾里

斑对显微镜技术突破的一些介绍。

关键词：艾里斑，显微镜，光学衍射极限

1引言：

在大量的电子图像应用领域，人们经常期望得到高分辨率（简称HR）图像。高分辨率意味着图像中的像素密度高，能够提供更多的细节，而这些细节在许多实际应用中不可或缺。例如，高分辨率医疗图像对于医生做出正确的诊断是非常有帮助的；使用高分辨率卫星图像就很容易从相似物中区别相似的对象；如果能够提供高分辨的图像，计算机视觉中的模式识别的性能就会大大提高。同时随着生命科学的迅猛发展三维光学显微技术也已经成为研究生命过程的一种极为有效的工具，但是传统的基于荧光共焦技术的成像方案受到光学衍射极限的限制，其横向和纵向的数量级均在百纳米，因而无法满足科学技术发展的需要，利用各种非线性光学荧光激发方案已经打破光学极限的方案已经实现，然而这种光路较为复杂，通过其他的方法构造出来的奇异光线也是能够实现科学家长期最求的三维远场光学的超分辨成像。

根据瑞利衍射极限任意的光学系统成像就会在像方产生一个光斑，而这个光斑是无法通过改变显微镜的结构来实现的，也就是说，无论是共焦显微镜或是宽场显微镜这个光斑都是存在的，而这个光斑就是我们所说的爱里斑(Airy disc) 由于光的波动性，光通过小孔会发生衍射，明暗相间的条纹衍射图样，条纹间距随小孔尺寸的减少而变大。大约有84%的光能量集中在中央亮斑，其余16%的光能量分布在各

级明环上。衍射图样的中心区域有最大的亮斑，称为

爱里斑。爱里斑的角度与波长(λ)及小孔的直径(d)

满足关系：sinθ=1.22λ/d，θ即第一暗环的衍

射方向角（即从中央亮斑的中心到第一暗环对透镜光

心的张角），因为θ角一般都很小，有sinθ≈θ，故

θ≈1.22λ/d。对于光学成像系统而言，用艾里

斑直径衡量成像面分辨率的极限，艾里斑半径为

r=1.22λf/d。

2缩小艾里斑的方法

因此如何缩小艾里斑的极限便是科学发展显微技术成像的一个大的攻坚战，由艾里斑的半径公式我们可以看出我们可以通过减小焦距与增加孔径的方法来缩小艾里斑的半径，但是增加孔径和减小焦距是有限的，我们不能通过无限增加孔径或者减小焦距来实现增加分辨率的极限，下面我们就增加分辨率的另外一种方法来做叫要的叙述。

我们生活在物质的世界中，而物质本身是量子的，这就意味着物质本身与波动有着密不可分的联系，而量子物理中的测不准原理又给光学显微成像带来了一个无可逾越的屏障，这意味着，我们只能分辨出的最小距离只能是光波长的一班，然而在20世纪90年代这种观点才被终结，由于在激光器产生之前，我们无法得到单色性较好的光源，所以随着激光技术的发展，我们的非线性光学的发展也是迅速的，在一系列的非线性光学现象的发现中，我们看到了减小分辨率极限的希望。

3真正意思上的衍射极限的突破：

真正能够实现显微成像分辨率显著提高的并在原理上彻底打破光学远场成像技术的是直到1994年才被提出的，Hell先生建议使用通过扫描一束聚焦激光来对样本进行逐点成像，成像的三维分辨率取决于聚焦激光的焦斑内荧光分子所占据的体积，因此通过较小荧光分子的体积，采用两束组合激光，即一束光被聚焦成正常的极限光斑，而另一束光先去在与荧光分子发射的荧光波长的范围的附近的光，确是与第一束光相互接近的中空的焦斑。利用第二束光将第一束光抽运到激发态的荧光分子从激发态猝灭到基态。第二束光只要足够强，便可以把激发态的荧光分子的体积压缩到极小范围内。SEDM（Stimulated Emission Depletion Microscopy）显微原理的应用，突破了光学衍射数百纳米的限制。在这之后，不同于荧光饱和猝灭的高度非线性，SPEM(Saturated Patterned Excitation Microscopy)技术运用荧光饱和激发的高度线性，将光学显微成像的分辨率提高到了50纳米。和SEDM一样，从原理上根本性的突破了光学衍射极限的限制。

由于单个发光点所成的艾里斑像的中心能够被精确的定位，便产生了与SEDM和SEPM 本质上不同的成像技术。基于这一原理，STORM和PALM成像技术使各个荧光分子所成的像不再相互干扰，将每个荧光分子逐个定位。如此，一幅超越衍射极限的图像即已完成。

以上两类超分辨成像技术，相比与常规显微镜技术，都有其自身的复杂性。首先，SEDM 和SEPM采用较高的饱和猝灭或激发光强，对荧光分子和生物样品带来了光漂白、光毒性等副作用。其次，他们大都需要不同波长的相干光源作为激发光。为了减少以致避免这些负面影响，我们将视线转移到了传统光学显微系统，实现三维超分辨显微成像。

上述两类超分辨成像方法为了实现非线性光学效应，突破在线性光学条件下获得超分辨的限制

参考文献:

1：《共焦显微系统中光学超分辨光瞳滤波器的设计》王美，云茂金等

2：《利用具有奇异非线性光学特性的纳米粒子突破光学衍射极限》3《百度文库，百度知道>