首创了掠入射结构光照明超分辨成像技术
近代显微成像技术的研究进展与应用
近代显微成像技术的研究进展与应用狄伶【摘要】The development of microscope imaging technology was introduced, and the imaging principle and application of fluorescence microscopy, confocal microscopy and super-resolution microscopy were outlined. The technology of stimulated emission depletion (STED) was clarified in the super-resolution microscopy. With the rapid development of computer technology and photo-electricity technology, a new generation of microscopy of living cells is developed, and cells tracking, real-time observation, 3D reconstruction, fluorescence quantification and four-dimensional dynamic analysis can be carried out at molecular and ion levels.%本文简述显微成像技术的发展历史,介绍荧光成像、共聚焦显微成像和超分辨显微成像技术的工作原理及应用.超分辨显微成像技术中主要介绍受激发射损耗技术.随着计算机技术和光电技术的飞速发展,新一代显微成像技术对活细胞微观生命活动实现了分子和离子水平的形态定位、实时动态观察、三维结构重组、荧光定量分析和四维动态分析.【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2018(033)002【总页数】4页(P107-110)【关键词】显微成像技术;共聚焦显微镜;受激发射损耗;超分辨显微成像技术【作者】狄伶【作者单位】上海交通大学分析测试中心,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TH74引言显微成像技术是一种借助物理方法观察微小物体的技术手段，它的发展与物理学领域对光的认识密不可分。
2018年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”榜单
12018年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人'榜单1月210,由《麻省理工科技评论》组织评选的第二届中国区“35岁以下科技创新35人”在北京揭晓。
此次榜单的获奖者涵盖人工智能研究与应用、自然语言处理、脑科学、新材料、新能源、生命科学、生物科技、自动驾驶等多个不同领域。
王梦迪29岁大数据运筹和强化学习亓磊35岁基因编辑和基因工程职位：普林斯顿大学运筹和金融工程系、计算机系助理教授获奖类别：先锋者在大数据运筹和统计优化方法上取得一系列首创成果，推动了在机器学习和增强学习领域的成功应用和算法突破。
职位：斯坦福大学生物工程学副教授获奖类别：先锋者作为CRISPR基因编辑技术中国和欧盟专利的共同发明人，多年来致力于基因编辑技术与基因治疗领域的开发。
职位：中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所博士后获奖类别：发明家参与创建了世界首例单染色体的真核细胞，实现"人造生命”里程碑式的重大突破。
陆盈盈30岁新型电池技术王思远34岁三维基因组学）狄大卫34岁有机/钙钛矿LED职位：浙江大学化学工程与生物工程学院独立研究员获奖类别：发明家从事能量密度数倍于常规锂离子电池的金属锂电池的科研、教学等工作，在金属锂负极保护机制及电池安全问题等方面做出了杰出的贡献。
职位：耶鲁大学医学院遗传学系及细胞生物学系助理教授获奖类别：先锋者致力于生物组学成像技术的研发，开发了多项成像、染色技术，其中一项基于复合荧光原位杂交的ONA成像技术。
职位：浙江大学光电科学与工程学院研究员；剑桥大学卡文迪许实验室访问研究员获奖类别：先锋者从事高效率、低能耗的下一代显示、照明技术——有机发光二极管和钙钛矿发光二极管领域的研究工作，创造了低成本溶液法OLED和钙钛矿LED发光效率的纪录。
孔令杰32岁新型光学技术窦乐添31岁光电子柔性材料罗景山31岁光电化学转化职位：清华大学精密仪器系副教授获奖类别：发明家专注于神经成像领域的方法创新、系统设计和集成等多个方面的创新研究并取得了重大成果。
光学中的超分辨成像技术
光学中的超分辨成像技术超分辨成像技术是目前光学领域的一个热门话题。
光学成像是一种通过光学系统来获取目标物体信息的技术，而超分辨成像技术则是要在前者的基础上，提高成像质量，实现更加细节化的成像结果。
本文将结合理论和实践，对光学中的超分辨成像技术进行深入探讨。
一、超分辨成像技术的理论基础超分辨成像技术的核心在于一种叫做衍射极限的理论。
这个理论认为，在成像中，一个物体在图像中的最小分辨率受到了光波传播的限制，这个极限被称为衍射极限。
达到这个极限，我们才会得到正真意义上的清晰可见的图像。
而在衍射极限外的物体，则会被模糊掉，无法分辨。
为了突破这个限制，科学家们想到了各种办法。
其中主要的两种方法分别是超分辨率显微镜和衍射限制解析成像技术。
二、超分辨率显微镜超分辨率显微镜的发展是在1950年代初期，由Ernst Abbe首先提出的折射率为1.5-1.6的物质是作为透镜的极限。
这一发现将光学成像的空间分辨率极限确定为半波长大小（0.2μm的蛋白质、20-30nm的细胞分子等）。
在此之前的研究中，传统光学显微镜是无法观察到这样小的物体的。
所以人们想到了一些更微小的物体来作为显微镜，例如透射电镜，扫描电子显微镜等。
但是这些显微镜对进行成像的样品要求比较高，而透射电镜还会对样品造成伤害。
因此，人们开始研究超分辨率显微镜。
其中最早的一种是激光荧光显微镜（STED）。
激光荧光显微镜通过对样品进行扫描，然后让样品中的某一部分发光，并快速扫描激光束，从而得到图像。
但是传统荧光信号上的光子数量受到依赖荧光剂分子数目、照射光强度、模糊滤波器和探测器响应等多种因素的影响而受到限制。
为此，科学家通过选择特定波长的激光光束，并在中心光束周围加上一个形状特定的控制激励光束，进一步减小了荧光信号的尺寸。
STED显微镜与传统荧光显微镜相比，具有更高的空间分辨率和更高的信噪比，这意味着它可以获得更清晰的图像，并且可以获得对光学分辨率的一种比较好的突破。
高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用
高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用姚保利;雷铭;薛彬;郜鹏;严绍辉;赵惠;赵卫;杨建峰;樊学武;邱跃洪;高伟;赵葆常;李英才【期刊名称】《光子学报》【年(卷),期】2011(40)11【摘要】大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙,小到光学显微镜探察细微的纳米世界,光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色.看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标.传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统,即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决定的.能否突破这个极限?能否不断提高光学系统的成像分辨率?围绕着这个问题,本文综述了近年来开展的各种光学高分辨和超分辨成像技术,及其在空间探测和生物领域中的应用.【总页数】12页(P1607-1618)【关键词】高分辨;超分辨;光学成像;空间光学遥感;显微成像【作者】姚保利;雷铭;薛彬;郜鹏;严绍辉;赵惠;赵卫;杨建峰;樊学武;邱跃洪;高伟;赵葆常;李英才【作者单位】中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室高分辨光学成像技术联合研究室;中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学技术研究室【正文语种】中文【中图分类】O439【相关文献】1.超分辨近场光学成像技术及其产业开发 [J], 吴世法2.超分辨成像及超分辨关联显微技术研究进展 [J], 林丹樱;屈军乐3.结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望 [J], 陈廷爱;陈龙超;李慧;余佳;高玉峰;郑炜4.共聚焦超分辨率成像与SIM超分辨率成像在蒿草生物组织样本荧光成像中的使用价值分析 [J], 吴伟全;王思捷;杨腾;吴平;李元歌5.一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术 [J], 王锋;罗建军;唐兴佳;李立波;胡炳樑因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
超分辨显微镜的工作原理与成像技术
超分辨显微镜的工作原理与成像技术超分辨显微镜是一种先进的光学显微镜，具有很高的分辨率和成像能力，可以观察到微观领域中细小的结构和现象。
本文将介绍超分辨显微镜的工作原理和成像技术，以及其在生物医学、材料科学和纳米技术等领域的应用。
一、工作原理超分辨显微镜的工作原理基于曲折规律和波的衍射。
传统光学显微镜由于照明光束的衍射限制，无法分辨出比光的波长还要小的物体细节。
而超分辨显微镜通过使用特殊的技术，克服了这一限制。
1.1 衍射极限传统光学显微镜的分辨率受到衍射极限的限制。
衍射极限（称为耐克斯特准则）是由德国物理学家安德烈亚斯·耐克斯特提出的，规定了光学系统能够分辨物体的最小尺寸，即0.61倍的照明光波长。
超过这个极限，显微镜就无法分辨出物体的细节。
1.2 超分辨技术超分辨显微镜采用了多种技术来突破衍射极限，实现更高的分辨率。
其中最常见的技术包括：1.2.1 利用荧光标记超分辨显微镜可以通过利用荧光标记结合合适的成像技术，将被观察物体的特定部分标记出来，并对其进行成像。
这些标记物在光的刺激下会发出荧光信号，通过检测和分析这种信号，可以实现纳米级的分辨率。
1.2.2 利用近场效应近场光学显微镜利用装载在探针尖端的金属纳米结构，利用探针与样品之间的极短距离来增强照明光的局部电场，从而实现超分辨成像。
这种技术在表面等离子激元共振和原子力显微镜中得到广泛应用。
1.2.3 利用建构性干涉通过将两束光进行干涉，可以在显微镜中形成特定的干涉模式。
这种模式包含了被观察物体的高频细节信息。
运用适当的算法和数学处理，可以从干涉模式中提取出高分辨率的图像。
二、成像技术超分辨显微镜采用多种成像技术来获取高分辨率图像。
以下是几种常用的成像技术：2.1 结构光成像结构光成像利用相干光束通过物体表面，通过记录物体与光束的相互作用，实现高分辨率的三维成像。
利用这种技术，可以获得具有亚微米分辨率的物体表面拓扑图像。
2.2 荧光成像荧光成像是利用带有荧光标记的样品在激发光线照射下发出的荧光信号进行成像。
超分辨成像技术的新发展
超分辨显微成像技术的新发展马利红引言人类获得信息的主要器官是眼睛，然而靠人眼观察客观事物的空间分辨率的极限约为4´米，客观世界中人眼不能分辨的所有细微结构称为微观世界。
显微成像技术将310-微观过程或结构成放大图像，以便于人眼能够直接观察。
研究微观世界所涉及的学科领域十分广泛，有生物、医学、材料科学、精密机械、微电子学、分子及原子物理、核物理等等，微观世界中细分的微量尺度原则上是无穷的，因而显微学是跨多学科的，其发展也是无止境的。
1665年，Robert Hooke用原始显微镜发现了池塘水中单细胞有机体，它的出现为人类打开了微观世界的大门。
光学显微镜由此成为历代生物学家的主要研究工具之一。
生物学家把显微镜作为一种主要工具来研究生物器官、组织和细胞，由此奠定了细胞学和组织学的基础，并对生物学、遗传学、微生物学、病理学和医学的发展起到了极大的推动作用。
但传统光学显微镜有以下两个主要缺点：(1)受衍射极限的限制，其分辨率与照明波长是同一个数量级，具有一个数值孔径(NA=nsin(q))的传统光学显微镜，分辨极限l，称之为瑞利判据；(2)由于使用的是场光源，观测到的是一个宽视野图像，为0.61/NA从而降低了信噪比，影响了图像的清晰度和分辨率。
随着生物医学、材料科学等的发展对显微提出了更高的要求，不仅希望其具有更高的分辨率，而且能对样品进行无损成像，甚至希望可观察其三维图像。
因此，传统的显微镜已不能满足要求。
电子显微镜的分辨率虽然远高于光学显微镜，但它需要在真空条件下工作，因此很难观察活的生物样品，另外电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。
电子显微镜、的局限以及高分辨显微的需求，迫使人们转向超经典衍射极限的光学超分辨理论和技术研究，利用新原理、新技术、新方法来实现光学高分辨力成像和检测。
第一节基于传统的Rayleigh分辨率意义下的超分辨理论光学系统的空间分辨率是一个非常有用的概念，但是关于它的具体定义和描述却有许多不同的见解。
超分辨成像方法研究现状与进展
超分辨成像方法研究现状与进展王超;张雅琳;姜会林;李英超;江伦;付强;韩龙【摘要】光电成像系统受到衍射极限和像元分辨率的制约,但研究者们从未停止过脚步来突破这一限制.本文介绍了近年来开展的各种超分辨成像方法和技术,包括应用于荧光显微成像的受激发射损耗技术、结构光照明技术、光激活定位技术与随机光学重构超分辨成像技术;可应用于显微系统、光存储与眼底成像的光瞳滤波技术与径向偏振光超分辨聚焦技术;应用于空间探测的合成孔径技术、光子筛成像技术、超振荡透镜技术、亚像元技术与焦平面编码技术.主要讨论了以上超分辨方法的原理、实现手段与目前发展水平.%Optical imaging system is limited by pixel resolution and diffraction limit,but the researchers try to solve this problem.Various super-resolution imaging methods and techniques in recent years are introduced,including STED technology,SIM technology,PALM technology and STORM technology for the fluorescence microscopy imaging;pupil filtering technology and radially polarizedsuper-resolution focusing technology for microscope,optical storage and retina imaging;synthetic aperture technology,photon sieve imaging technology,super oscillation lens technology,sub-pixel technology and focal plane coding technology for space detection area.The principle,the implementation means and the current development level of these super-resolution imaging methods were discussed.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2017(047)007【总页数】8页(P791-798)【关键词】超分辨率;衍射极限;空间光学系统【作者】王超;张雅琳;姜会林;李英超;江伦;付强;韩龙【作者单位】长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春 130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春 130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春 130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春 130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春 130022【正文语种】中文【中图分类】TN305.7自从光学显微镜和天文望远镜诞生以来,人们在不断寻求着提高光学分辨率的方法,从而观测到更多物体细节。
超分辨荧光显微
随机光学重建显微技术（STORM）
要点一
总结词
要点二
详细描述
STORM是一种基于单分子定位的超分辨技术，通过控制荧 光分子的开关状态，实现高精度单分子定位和超分辨成像 。
STORM技术利用荧光分子在不同开关状态下的光散射性质 不同，通过控制荧光分子的开关状态，实现高精度单分子 定位和超分辨成像。在STORM显微镜中，激光束被聚焦到 样品上，激发荧光分子发光。通过控制荧光分子的开关状 态，可以选择性地激活特定荧光分子并记录其位置信息。 通过大量单分子定位的累积，可以构建出超分辨图像。
未来发展方向
突破光学衍射极限
自动化和智能化
通过发展新型光学器件和技术，突破 光学衍射极限，进一步提高超分辨荧 光显微技术的分辨率。
提高超分辨荧光显微技术的自动化和 智能化水平，使其更易于操作和使用， 降低使用门槛。
多模态成像技术
结合不同成像模态的优势，发展多模 态成像技术，以获得更全面、更准确 的信息。
稀疏光学重构显微技术（SORTIE）
总结词
SORTIE是一种基于光学重构的超分辨技术，通过稀疏采样和光学重构算法，实现高分辨率成像。
详细描述
SORTIE技术利用光学重构的原理，通过稀疏采样和光学重构算法，实现高分辨率成像。在SORTIE显 微镜中，激光束被聚焦到样品上并产生散射光。通过控制散射光的角度和强度，可以对样品进行稀疏 采样。然后利用光学重构算法对采样数据进行处理，实现高分辨率成像。
成熟应用阶段
随着技术的不断完善和优 化，超分辨荧光显微技术 逐渐成为生物学和医学领 域的重要研究工具。
02
超分辨荧光显微技术的基本原 理
荧光物质的激发与发射
荧光物质在特定波长的光激发下，吸 收能量并跃迁至激发态，随后释放能 量回到低能态，并发出特定波长的荧 光。
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首创了掠入射结构光照明超分辨成像技术
10月25日，中国科学院生物物理研究所李栋课题组与美国霍华德休斯医学研究所博士Eric Betzig、Jennifer Lippincott-Schwartz合作在《细胞》（Cell）杂志发表研究论文“Visualizing intracellular organelle and cytoskeletal interactions at nanoscale resolution on millisecond timescales”。
该文首创了掠入射结构光照明超分辨成像技术（GI-SIM），可对细胞内的生理过程进行高速、长时程、超分辨率成像，利用该技术发现了多种细胞器间相互作用新行为。
GI-SIM可对活细胞以97纳米分辨率、266幅每秒的成像速度连续成像近万幅超分辨图像。
与李栋先前开发的全内反射结构光照明超分辨成像技术（TIRF-SIM; Li et al., Science, 2015）相比，GI-SIM的成像深度以及所产生的信号量都提高了10倍；与传统共聚焦或转盘共聚焦显微镜相比，GI-SIM可
提供2倍更高的空间分辨率以及10倍更快的成像速度；与其它超分辨成像技术相比，在细胞尺寸的视场范围下，GI-SIM可提供~10倍更快的成像速度，以及10-100倍更长的成像时程。
GI-SIM实现了对细胞内多种细胞器动态的
最优化二维超分辨成像，这使得研究人员发现了多种细胞器互作新行为。
例如：
（1）管状内质网的三种新型延伸方式。