紧凑型光学设备实现超越衍射极限的超分辨率成像

中国科学技术大学（USTC）的研究人员推出了一种平面光学设备，该设备大大增强了暗视野显微镜的功能，实现了超越衍射极限的超分辨率成像。 这项工作由张斗国教授领导，已发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。

暗视野显微镜是一种功能强大的技术，通过以斜角照射未染色样品，可获得弱散射物体的高对比度图像。 然而，传统的暗视野显微镜受到衍射障碍的限制，通常需要复杂、笨重的装置和精确的对准。 能够克服这一障碍的超分辨率成像技术通常价格昂贵且难以操作。 长期以来，该领域一直面临着需要一种更简单、更易获得的解决方案的挑战。

这项研究介绍了一种平面光子设备，它集成了散射层、一维光子晶体（1DPC）和金属膜，可生成暗场斑点图案。 这种结构紧凑的装置可轻松集成到传统显微镜中，无需复杂的光学系统或精确对准。

创新的关键在于 1DPC 的使用，它可以作为动量空间滤波器产生空心锥形斑点图案。 这些图案可作为照明源，实现高对比度成像，空间分辨率比传统方法提高了 1.55 倍。

研究人员通过对各种样品（包括聚苯乙烯珠、纳米线和生物标本）进行成像，展示了该设备的功能。 利用盲-SIM 重建算法，他们成功地分辨出了中心到中心距离小至 340 纳米的相邻珠子，这已经超出了衍射极限。 该装置还支持光学表面成像，在入射波长调整时产生蒸发斑，进一步扩大了其应用范围。

实验装置包括一台配有 X40 物镜（NA 0.6）的标准直立显微镜和一个耦合到多模光纤的相干激光源。 通过振动光纤可动态改变斑点模式，从而捕捉多帧图像进行图像重建。 结果表明，所提出的技术不仅能提高分辨率，还能保持高对比度，即使在大视场成像时也是如此。

这项研究标志着显微镜技术的重大飞跃。 这种小巧的平面装置为超分辨率成像提供了一种实用、易用的解决方案，使更多的研究人员和临床医生可以使用高对比度的无标记显微镜。 通过简化设置和消除对复杂配准的需求，这项创新可以使先进成像技术平民化。