通过高调制系数映射和主成分分析（PCA-iSIM）突破非相干结构化照明显微镜中的分辨率限制

《Laser & Photonics Reviews》：Breaking the Resolution Barrier in Incoherent Structured Illumination Microscopy via High-Modulation Coefficient Mapping and Principal Component Analysis (PCA-iSIM)

结构照明显微术（SIM）通过数字微镜器件（DMDs）实现低成本高分辨率成像，但受限于光学传递函数，高空间频率照明下条纹可见度和调制深度不足。本研究提出基于主成分分析（PCA）的PCA-iSIM框架，利用高调制系数映射和PCA降维技术，有效解决弱条纹调制下的照明参数估计难题，实现1.9倍分辨率增益（有效分辨率100 nm），并在紧凑光学平台上达到30 Hz实时重建速度。

　　

摘要

结构光显微镜（SIM）是一种广泛应用的超分辨率技术，它能够提供亚衍射分辨率，同时具有低光毒性和高光子效率。虽然基于数字微镜设备（DMD）的非相干SIM技术可以实现紧凑且成本效益高的系统设计，但它传统上更注重切片效果而非横向分辨率，并且面临一个根本性障碍：由于系统光学传递函数（OTF）对高空间频率成分的严重衰减，条纹可见度和调制深度显著降低。因此，实际应用中的非相干SIM技术所能实现的分辨率提升通常被限制在$$以内，无法满足现代超分辨率显微镜的需求。在这项工作中，通过引入PCA-iSIM这一新型重建框架，打破了这一限制。PCA-iSIM基于主成分分析（PCA）和高调制系数映射技术，有效解决了在弱条纹调制条件下的照明参数估计问题，显著提升了重建性能，尤其是在高空间频率照明下。此外，利用PCA的降维和噪声抑制能力，PCA-iSIM即使在复杂的实验条件下也能实现高效的实时超分辨率成像。实验结果表明，PCA-iSIM的分辨率提升超过了1.9$$（相当于有效分辨率达到$$100纳米），并且在紧凑的光学平台上实现了30赫兹的实时重建。凭借其紧凑的体积、算法的鲁棒性和低硬件复杂性，PCA-iSIM为资源有限和现场可部署的环境提供了灵活且经济高效的超分辨率成像解决方案。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。