本文介绍的是深圳大学物理与光电工程学院邵永红教授课题组对点扫描结构照明显微技术中探测模式的研究，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2023年第4期。

Comparison of point detection and area detectionfor point-scanning structured illumination microscopy

点扫描结构照明显微镜中点探测与面探测的比较

Wenshuai Wu, Jiajie Chen, Meiting Wang, Lei Wang, Xiaomin Zheng,Jia Li, Junle Qu, Bruce Zhi Gao and Yonghong Shao

研究背景

结构照明显微技术（structured illumination microscopy, SIM）使用条纹结构光激发样品产生荧光，从而将无法检测到的高频信息转移到光学系统的通频带，随后使用相移重建算法重建超分辨率图像。SIM因其相对较低的峰值功率要求和较快的成像速度而广泛应用于生物样品成像，成为了重要的超分辨成像技术之一。而SIM的分辨率受两种典型探测模式的影响：点探测和面探测。为了更好地选择不同类型的SIM以满足不同应用场景的需求，我们通过理论分析、模拟成像与实验成像，比较了激光扫描显微技术中的SIM在不同探测模式下的区别。

内容简介

本文通过理论分析和模拟成像，比较了激光扫描显微技术中的激光点扫描点探测和点扫描面探测成像。结果表明，点扫描点探测和点扫描面探测的成像分辨率分别取决于激发点扩散函数（point spread function, PSF）和发射点扩散函数。并将点检测和面探测的SIM与二次谐波（second harmonic generation，SHG）相结合，实现了非线性SIM成像技术，提高了成像分辨率。最后通过理论推导和实验比较了点扫描点探测和面探测的SHG-SIM成像差异。

图文导读

1.理论推导

推导了光束扫描激发显微镜在点探测和面探测条件下的成像公式，得出以下结论：

a.点扫描面探测成像分辨率只受发射点扩展函数影响；b.点扫描点探测成像分辨率只受激发点扩展函数影响；c.点扫描面探测SHG-SIM超分辨成像的分辨率受到激发点扩展函数的限制；d.点扫描点探测SHG-SIM超分辨成像的分辨率同样受到激发点扩展函数的限制。

2.模拟实验验证

在相同的参数下模拟成像，数值孔径设置为1.4，激发波长为810nm，发射波长为405nm（二次谐波信号），模拟结果如 图 2 所示，面探测SHG的分辨率大约是点探测SHG的1.47倍。点探测SHG-SIM和面探测SHG-SIM加载相同的条纹图案，最终点探测SHG-SIM和面探测SHG-SIM的分辨率分别为114±3 nm和88±3 nm。因此，在相同的成像条件下，面探测SHG-SIM成像分辨率更高。

图2点扫描模式的点探测SHG-SIM和面探测SHG-SIM图像;（a）左侧为点探测SHG图像，右侧为点探测SHG-SIM图像;（b）和（c）分别是（a）中红色虚线框的局部放大点探测SHG和点探测SHG-SIM图像;（d）左侧为面探测SHG图像，右侧为面探测SHG-SIM图像;（e）和（f）分别是（d）中红色虚线框局部放大的面探测SHG和面探测SHG-SIM图像;（g）和（h）对应于（b）-（c）和（e）-（f）中红框黄色虚线的强度曲线，平均半高宽值分别为218±3 nm、114±3 nm、148±3 nm和88±3 nm。

3.成像实验验证

激发光波长设置为810 nm，60X油浸物镜的NA为1.4，成像样品是50nm的ZnO纳米颗粒（ZnO是一种二次谐波材料），成像视场为34x34mm²，点探测成像模式的像素尺寸为42.5 nm，面探测成像模式的像素尺寸为21 nm。如 图 3 所示：

图3点探测SHG和面探测SHG的比较；（a）ZnO纳米颗粒图像（右下:点探测SHG；左上:面探测SHG）；（b）和（c）分别是（a）中黄框和（a）中红框的局部放大图像。（b）和（d）是点探测SHG的成像结果，（c）和（e）是面探测SHG的成像结果；（f）是（b）和（c）中黄线的归一化强度图，（g）是（d）和（e）中红线的归一化强度图。

图 3 （f）中面探测SHG的分辨率比点探测SHG高1.45倍，分辨率相差的倍数与模拟成像计算值（1.47倍）基本一致。因此，模拟成像和实验结果都验证了方程的推导结果。 图 3 （f）和 图 3 （g）中拟合点探测SHG和拟合面探测SHG的高斯曲线的残差平方和分别计算为(0.03352 vs . 0.08017)和(0.00778 vs . 0.05169)。点探测SHG的残差平方和小于面探测SHG的残差平方和，说明点探测SHG具有更好的拟合度，因此信号的连续性优于面探测SHG。实验结果表明，在相同成像的条件下，面探测SHG-SIM的成像分辨率更高，而点探测SHG-SIM成像的信号连续性更优。

综上所述，我们分析了点探测和面探测对激光扫描显微技术的成像分辨率影响，希望该工作会促进相关领域研究。

通讯作者简介

邵永红，深圳大学物理与光电工程学院教授，博士生导师。中国光学学会第二届生物医学光子学专业委员会委员。曾获深圳市自然科学二等奖，中国产学研合作创新奖（个人），第十五届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖，广东省科学技术三等奖，深圳大学优秀学者等荣誉。主要研究领域包括SPR传感技术和非线性光学超分辨显微成像以及光学内窥成像。共发表SCI论文100余篇，授权专利20余项。主持国家重点研发计划子课题、国家重大科学仪器项目子项目、国家自然基金面上项目、中科院知识创新工程项目、广东省科技计划重点项目、深港创新圈项目等项目。