摘要
相比宽场照明荧光显微镜，共聚焦荧光显微术具有背景噪声低、对比度和信噪比高且横向和轴向分辨率也相对较高等特点，是生命科学研究中最为常用的一种显微技术。并行探测像素重组方法可以在保证信噪比的前提下实现共聚焦荧光显微方法分辨率的提高，而在共聚焦的基础上发展而来的荧光辐射微分超分辨显微术于2013年被提出后也得到了广泛的研究。这些方法继承了共聚焦荧光显微方法的所有优势，可以广泛地应用于生物医学领域的研究中。然而，这两种方法仍然存在探测器位置不准确性造成重构效果不佳、轴向分辨率不高、成像速度较慢等问题，进一步改善这两种方法并将两种方法相结合具备重要意义。此外，作为对共聚焦荧光显微技术的一种重要补充，新发展起来的荧光辐射微分超分辨显微方法不仅是一种普适性荧光标记的超分辨显微方法，还可以较好地绕开国外相关技术专利限制，十分适合进行高端光学显微仪器设备化研究工作并进行推广。 本论文根据归一化正交相关方法、点扩散函数工程以及光栅衍射理论，对并行探测像素重组显微与荧光辐射微分超分辨显微的方法和技术进行了深入的研究，旨在进一步提高系统分辨率以及成像速度，使并行探测像素重组显微与荧光辐射微分超分辨显微可以在生命科学研究中获得更广泛的应用。此外，本论文提出了具备模块化设计的荧光微分超分辨显微仪器设备，推动多种模式的超分辨荧光显微方法仪器设备化进程。本文的主要内容及创新点如下： 1、深入研究了并行探测器阵列中像素位置对基于像素重组的超分辨显微方法的影响。对相关内容进行了理论分析和仿真，并创新性地利用归一化正交相关算法获得准确的探测器位置信息以正确实现像素位置重组，并搭建并行探测像素重组荧光显微系统。相关实验结果证明了本方法可以准确获得探测器位置信息以消除由于并行探测器阵列在制造与安装过程中像素错位给像素重组结果带来的影响，实现最佳的像素重组效果。 2、创新性地将并行探测像素重组方法和三维微分方法引入到微分超分辨显微系统中。通过空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）分别对激发光中的p偏振光和s偏振光进行相位调制，可同时获得横向和轴向上的调制暗斑，并结合并行探测像素重组方法实现微分超分辨显微系统在三维分辨率上进一步的提升。通过对相关内容的理论分析和仿真，搭建了基于SLM调制的并行探测微分超分辨显微系统。实验表明，相比较于共聚焦显微技术和并行探测像素重组显微技术，该方法分别实现了横向分辨率1.85倍和1.33倍的提升以及轴向分辨率1.48倍和1.24倍的提升。 3、深入研究了微分超分辨显微方法成像速度受限问题并创新性地通过在SLM上加载闪耀光栅并通过调整光栅周期和闪耀角来实现实心焦斑和空心焦斑在焦面位置上的可控错位，进而实现双焦斑同时扫描。设计并搭建了共路并行扫描微分超分辨显微系统，相关实验结果表明该方法可以将微分超分辨显微成像速度提升一倍。 4、深入研究和分析了多种微分超分辨显微方法的仪器小型化与模块化问题。对微分超分辨显微仪器进行了模块化设计以及空间排布优化，并设计编写了相应的系统功能成像软件，构建了三套基于微分显微方法的高端光学显微仪器设备。
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