【摘 要】
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光学显微镜的发展帮助人类打开了微观世界的大门。由于光学衍射现象的存在,光学显微系统的分辨率受到限制,始终无法突破半波长量级。超分辨荧光显微技术的出现,将光学显微镜分辨率提高到亚微米乃至纳米尺度,为生命科学和材料学等学科的发展提供了有力工具。结构光照明超分辨荧光显微镜（Structured Illumination Microscopy,SIM）因其时空分辨率高、可三维成像、光毒性小等优势,更适用于
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光学显微镜的发展帮助人类打开了微观世界的大门。由于光学衍射现象的存在,光学显微系统的分辨率受到限制,始终无法突破半波长量级。超分辨荧光显微技术的出现,将光学显微镜分辨率提高到亚微米乃至纳米尺度,为生命科学和材料学等学科的发展提供了有力工具。结构光照明超分辨荧光显微镜（Structured Illumination Microscopy,SIM）因其时空分辨率高、可三维成像、光毒性小等优势,更适用于厚样品的三维成像和活细胞动态成像,在生物医学等领域具有更广泛的应用价值。近年来,围绕着提高系统空间分辨率、成像速度和三维成像能力的研究,已成为SIM乃至整个超分辨领域研究的重点。本论文围绕如何实现高时空分辨率三维成像这一科学问题,针对目前三维SIM面临的成像速度慢、图像伪影多等不足,提出了非对称三光束干涉结构光照明新方法和基于Richard-Lucy的三维重建算法,开展了非对称三光束干涉SIM的理论研究、关键技术攻关、系统设计和检测方法研究,搭建了非对称三光束干涉结构光照明超分辨显微镜工程样机（Structured Illumination Microscopy Based On Asymmetric Three-beam Interference,ATI-SIM）。并应用此样机,开展了关于内吞作用中细胞膜和微丝形态学变化等热点生物问题的实验研究。具体内容包括:1)介绍了超分辨荧光显微镜相关概念以及主流远场超分辨荧光显微镜的分类和原理,总结了目前SIM技术的研究进展以及其在快速三维超分辨成像领域的局限性,说明了本论文的研究目的和意义。2)阐述了非对称三光束干涉结构光照明超分辨成像的基本原理;通过分析ATI-SIM的照明光场特征,优化基于空间光调制器的结构光产生方法,提出能量损失少、时间延迟小的新型偏振调制方法。3)提出了基于Richard-Lucy的三维重建算法,该算法对结构光原始参数的敏感度低,同时可以有效地抑制离焦信息,从而减少超分辨图像重构伪影,提高三维超分辨图像重构质量。4)完成了超分辨荧光显微镜的核心部件——数值孔径1.45平场复消色差显微物镜设计。开展了 ATI-SIM光学、机械、电控单元的设计,研制了国产化ATI-SIM工程样机,并进行了系统测试。ATI-SIM的横向和轴向分辨率分别达到103nm和279.5nm,与传统SIM系统相比,三维成像速度可提高30%。5)利用自主研发的ATI-SIM系统,开展了生物学成像实验研究。完成了巨胞饮作用中微丝形态变化成像实验,生物学实验表明ATI-SIM在生物医学成像领域具有较好的应用价值。
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