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近年来,随着荧光探针技术的发展,一系列远场光学超分辨显微成像方法被提出,使得光学显微镜的空间分辨率突破了光学衍射极限。在主流的光学超分辨显微成像技术中,SIM(Structured Illumination Microscopy)凭借高时空分辨率、低光毒性和三维成像能力等众多优点,尤其适合对生物学领域的活体样本进行超分辨动态观测。因此自该技术出现伊始,就受到了国内外的广泛关注。本文围绕突破光学衍射极限和快速三维显微成像这两个科学问题,开展了基于结构照明的光学超分辨和三维光切片显微技术研究。具体研究内容如下:1.发现了超分辨SIM和光切片SIM的理论联系。通过详细的理论推导,分别揭示了超分辨SIM和光切片SIM的基本原理;通过对比超分辨SIM和光切片SIM的光场分布和相移方式,发现了它们之间的相关性,统一了超分辨SIM和光切片SIM的理论基础;通过数值模拟SIM的成像过程,研究了结构光场参量对成像质量的影响。2.设计搭建了基于DMD调制和LED照明的SIM系统。传统SIM系统使用激光干涉产生结构光场,散斑噪声会降低图像信噪比;另外,通常使用空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)来精确操控结构光场的相移和空间方向,但也带来了光束偏振控制复杂、调制速度慢等问题。针对这些问题,本文提出了一种基于DMD调制和LED照明的SIM方法,简称D-SIM。非相干LED光源避免了散斑噪声和光的复杂偏振控制,改善了成像质量;相比于SLM,DMD具有更高的光能利用率和刷新率,大幅提升了成像速度。经标定,D-SIM系统的分辨率约为90nm,超越衍射极限2倍;成像速度比传统激光扫描共聚焦显微(LSCM)快两个数量级。此外,本文编程开发了与硬件系统配套的集成软件,实现了系统的驱动和时序触发控制,以及原始数据的采集、图像重构与展示。3.提出了多种改进的超分辨和光切片图像重构算法。后期的图像重构算法是SIM系统的核心技术。本文提出了三种SIM图像重构算法:精确测量光场参量的超分辨算法(Image Recombination Transform,IRT)、基于希尔伯特变换的光切片算法(Sequence Hilbert Transform,SHT)和超分辨的光切片算法(Sectioned Super-Resolution,SSR)。与同类方法相比,IRT算法具有更好的普适性,即使在低对比度的结构光场下也能获得稳定的超分辨成像结果;SHT算法具有更高的切片效率,它将原来所需的三幅相移图像减少至两幅,精简了1/3的原始数据量;SSR算法以统一的SIM理论为基础,实现了超分辨和光切片的融合成像。4.针对微小动物,使用D-SIM系统实现了大视场、快速、高分辨的三维显微成像。目前针对微小动物的三维显微技术存在成像速度慢、分辨率低等问题。本文利用自主开发的D-SIM系统,结合自适应视场拼接算法,实现了多种微小动物样品的快速、高分辨三维显微成像。经测量,D-SIM系统的显微视场为0.79mm?0.54mm,空间分辨率约500nm,成像时间从以前的几小时减少为几分钟。该系统有望成为微小动物等相关生物科学研究的常用显微成像设备。