光的衍射和光学器件的有限孔径会引起物体高频信息的丢失，从而导致图像模糊、物体的细节信息无法分辨。根据 Abbe 的衍射理论，通过一个镜头能分辨的两物点间的横向最小距离和纵向最小距离为（瑞利判据）。42782

式（1）中，λ 为波长，n 为介质折射率，θ 为镜头的物方孔径角。换句话说，衍射极限意着间隔小于△x(z)的两点通过该镜头是无法分辨出来的，相对的，超分辨技术就是用来分辨间隔小于△x(z)的两点的。对于可见光而言，衍射极限大约在 200nm 左右。

从 20 世纪早期开始到现在，人们提出了多种获得光学超分辨的方法。这些超分辨技术被广泛地应用在生物显微镜[6]、投影光刻系统、光盘存储系统、地基望远镜、视网膜成像等领域中。论文网

显微镜超分辨技术总体可分为近场和远场两大类。光学仪器与样品之间的距离小于波长量级时，称为近场；大于波长量级时，则称为远场。 

近场超分辨技术[7]主要是指近场扫描光学显微镜NSOM由 E. H. Synge 等人于 1928 年提出，该技术通过限制光场来突破远场衍射造成的阿贝极限分辨率。具体方法是使用一个尺度远小于波长量级的探针（如光纤）照明样品，使照明光场限定在 50～100nm 范围内。当探针足够靠近样品表面时，其出射光与表面相互作用，显微镜则收集这些携带表面信息的光信号（一般是瞬逝波）成像。而近场扫描显微镜的分辨率不受远场衍射限制，而是受探针尖端大小限制，可以达到 20-50nm，但该方法局限于对精细表面成像，如细胞膜、集成芯片等，且对机械控制精度要求极高。

远场超分辨显微镜工作在正常距离，通常利用荧光分子作为探针标记生物组织，然后探测样品的荧光成像，即所谓荧光显微镜。根据其看待样品的方式可分为两类：将样品看做是密度连续变化的荧光团，或看做是一个个单分子标记物的集合体。前者利用结构光照明以及荧光分子的非线性响应效应产生谐频，使探测频带宽提高若干倍，增强分辨率；后者则是利用单分子定位技术实现超分辨。下面介绍几种典型的超分辨显微镜。

1 共焦扫描荧光显微镜 

共焦扫描荧光显微镜[8]（CSFM，confocal scanning fluorescence microscopy）于 1960年前后由 M.  Minsky提出，其结构如图 1.2 所示。CSFM 的特点在于，照明针孔光阑和检测针孔光阑是共轭的，从而使焦平面以外的光线被阻挡，提高了轴向分辨率，其原理简单、操作性良好，适用于生物活细胞内部的三维成像。

 在 CSFM 的基础上，应用新的技术进行改良，可进一步提高分辨率。对传统 CSFM改良中应用最广泛的就是多光子共焦显微镜和 4Pi 共焦显微镜。前者利用多个低能光子激发荧光样本，这种激发效应具有非线性型，可以提高显微镜的信号接收效率和信噪比、加深显微镜的透视深度；后者则是在样品两侧各放置一个物镜，将照明光源分束后分别通过这两个物镜聚焦到样品上，并发生干涉成像，进而可提高轴向分辨率5～7 倍。

 2  结构光照明显微镜 

结构光照明显微镜[9]（SIM，structured illumination microscopy）利用结构光照明样品，将原本不可分辨的高频信息编码入荧光图像中，通过后续图像处理，可解码获取高分辨率信息，将横向分辨率提高至约 100nm。在 SIM 的基础上，引入荧光分子的非线性响应可产生谐频，使探测带宽继续提高。饱和结构光照明显微镜（SSIM，saturated structured illumination microscopy）就是利用了饱和受激发射产生非线性项，使其理论上不存在分辨率极限，且曾有研究称其实现了 50nm 的横向分辨率。