非直观成像图像快速解调算法研究(2)

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近场光学原理与技术的发展，提出了近场扫描光学显微技术（NSOM）的思想，通过利用纳米探针提取被测对象近场的光场信息，获得分辨力的提高。这种方法直接解决消逝波无法传播到远场的问题，根本上突破了衍射限制，分辨率可以达到20-30nm。然而这种方法由于依赖点扫描的探针技术，具有和AFM系统类似的缺点，无法快速获得纳米分辨力图像；其分辨力的提高也受限于探针与被测对象的距离，很难达到1纳米级[3]。

英国曼彻斯特大学研究小组于2011年提出了介质球透镜超分辨成像技术，实现了50nm分辨率。受激发射抑制荧光显微技术（STED）早在1994年就有德国科学家Hell教授提出，经过二十年的发展，其分辨率不断提高，目前达到30 nm左右[4]。浙江大学刘旭团队也在此方向做了大量工作。这个技术仅适用于荧光显微成像，而对生物样品做荧光标记可能会改变生物体特性不利于对原始生物信息的准确研究，此外对无法标记的样品难以实现超显微成像，因此适用性也有局限性。

上述光学成像技术无论是近场还是远场还是依赖于光强差的直观成像。但若是背景繁复杂乱、强度差别不明显，仅仅用强度来区分目标就有些困难．而利用光的偏振特性则能避免光强差太小所带来的问题，从而达到有效识别目标的目的。偏振作为光的固有特性之一，任何目标在反射、散射和电磁辐射的过程中都会产生由其自身性质决定的特征偏振，即光偏振状态的变化反映了目标的物理信息。偏振信息可用来表征目标的表面特征、形状、折射率和粗糙度[2]，同时偏振信息与光谱及强度信息的相关性较弱，因此有很大潜力改善成像性能，有助于提高目标探测和地物识别的准确度[5]。现在，偏振成像技术已应用于遥感[4]、显微成像、光学监测等诸多领域。

纳米显微光学技术研究所现已初步实现了偏振非直观超显微成像的研制，并在石墨烯[1]、灵芝孢子粉等实际检测应用中得到了很好的验证。但是随着研究的深入，单幅、静态的非直观超显微图已经远远不能达到我们所期待的目标，大气污染物检测、汽车尾气检测、基因的序列的动态检测等等实际应用，对于动态、实时非直观超显微图的要求也越来越强烈。

1.2 研究现状

1.2.1 共焦扫描荧光显微镜

1.2.2 结构光照明显微镜

1.2.3 受激发射损耗显微镜

1.2.4 STORM

1.3 算法研究

常用的表征光的偏振态及其变化的方法有三种：琼斯矢量-琼斯矩阵(Jones vector-Jones matrix)，邦加球(Poincare sphere)，斯托克斯矢量-穆勒矩阵 (Stokes vector-Muellermatrix)，下面对这三类表示方法做简要介绍。

1.3.1 琼斯矢量表示法

琼斯矢量表示法用如式(1)所示的二维列矢量表示电场的 x与y方向分量，此时介质的偏振光学特性可以通过一个 2×2 的琼斯矩阵描述．琼斯矢量- 琼斯矩阵表示法最大优势在于包含了光的相位信息，可以处理干涉等相位相关的检测．然而琼斯矢量只能用于描述完全偏振光，无法处理在强散射介质中普遍存在的退偏现象。

1.3.2 邦加球表示法

邦加球表示法[11]是一种非常直观的图示法。邦加球球面上的点代表完全偏振光，其两个方位角可确定偏振态．邦加球内的点表示部分偏振光，因此邦加球代表了所有可能出现的偏振状态的集合。使用邦加球表示偏振态最大的优势在于直观，例如偏振光的改变可以在邦加球上体现为特定的移动轨迹，但这一方法对于偏振相关的定量计算并不适用。