紧凑型光学器件可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，该设备显着增强了暗场显微镜的能力，实现了超越衍射极限的超分辨率成像。这项工作由张豆国教授领导，已发表在《美国国家科学院院刊》上。

暗场显微镜是一种强大的技术，通过以倾斜角度照射未染色的样品来可视化它们，从而获得弱散射物体的高对比度图像。然而，传统的暗场显微镜受到衍射屏障的限制，通常需要复杂、笨重的设置和精确对准。可以克服这一障碍的超分辨率成像技术通常价格昂贵且难以作。长期以来，需要更简单、更易于访问的解决方案一直是该领域的一个挑战。

该研究介绍了一种平面光子器件，该器件集成了散射层、一维光子晶体 （1DPC） 和金属膜，以产生暗场散斑图案。这种紧凑的器件可以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。

关键创新在于使用 1DPC，它充当动量空间滤波器，以产生散斑图案的空心锥体。这些图案用作照明源，与传统方法相比，空间分辨率提高了 1.55 倍，可实现高对比度成像。

研究人员通过对各种样品进行成像来展示该设备的功能，包括聚苯乙烯珠、纳米线和生物样品。使用 Blind-SIM 重建算法，他们成功分辨了中心到中心距离小至 340 nm 的相邻珠子，这超出了衍射极限。该设备还通过在调整入射波长时产生消逝散斑来支持光学表面成像，进一步扩展了其应用。

实验装置包括一个带有 X40 物镜 （NA 0.6） 的标准正置显微镜和一个耦合到多模光纤中的相干激光源。通过振动光纤来动态改变散斑图案，从而可以捕获多个帧以进行图像重建。结果表明，所提出的技术不仅提高了分辨率，而且保持了高对比度，即使对于大视场成像也是如此。

这项研究代表了显微镜技术的重大飞跃。这款紧凑的平面设备为超分辨率成像提供了一种实用且易于使用的解决方案，使高对比度、无标记的显微镜可供更广泛的研究人员和临床医生使用。通过简化设置并消除对复杂对准的需求，这项创新可以使先进成像技术的普及化。

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