微球透镜超分辨显微成像与检测技术综述

徐 伟，袁 群，高志山，于颢彪，孙一峰，屈 艺

(1.南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094；2.南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094)

引言

1590年，荷兰工匠Z.Janssen发明了第一台光学显微镜，突破了人眼所能观察的极限。自此之后，光学显微镜打开了人类探索微观世界的大门，逐渐在生命学、医学、制造、材料等领域成为不可或缺的工具。

微纳制造技术的进步和发展，以及生命科学领域对于微观世界的探索，对于显微成像系统的成像分辨率提出了更高的要求[1]。但是，由于衍射极限的存在，在可见光波段传统光学显微镜无法观测特征尺寸小于200 nm的结构[2]，很大程度上限制着生命科学的进步和发展[3]。在微纳制造领域，台积电已经实现了7 nm的麒麟980芯片的量产。由此可见，传统的光学显微技术远远无法满足现阶段的检测需求。

携带物体高频信息的信号丢失，被认为是衍射极限存在的原因。倏逝波的存在，为突破衍射极限提供了可能，倏逝波的波数大于传导波，能够携带高频的信息，通过收集倏逝波，获取高频信息，可以实现更高的成像分辨率[4]。1972年，人们首次通过近场扫描显微镜(near-field scanning microscopy)，获得了基于倏逝波的超分辨显微图像[5]，证实了这一方案的可行性。但是，倏逝波的振幅在振动方向上呈指数衰减，传播距离只有入射波长量级[6]。因此，成像透镜必须要放置在待测样品的近场区，这大大限制了该技术的使用。

2011年，英国曼彻斯特大学的王增波等人在Nature Communications上首次发表了微球透镜超分辨显微成像的结果[7]。他们将二氧化硅微球无浸液地放置在样品表面，在传统的光学显微镜下观察样品，将可见光波段光学显微镜的成像分辨率提升到50 nm(见图1(a))。这种简单有效的超分辨显微成像方案迅速得到了国内外研究小组的关注，他们围绕成像方案、成像机制等方面开展了大量研究工作。本文将从多方面总结比对微球透镜的二维超分辨显微成像技术，并介绍微球与干涉显微技术相结合带来的三维超分辨形貌检测技术，就此展开讨论。

1 微球透镜二维超分辨显微成像方案

1.1 微球透镜参数及浸没方式

基于微球透镜的超分辨显微成像方案是通过将微球放置在待测样品表面，利用显微镜透过微球观察样品，实现对样品表面结构的超分辨显微成像。如图1所示，微球透镜的显微成像方案主要有无浸液[7]、半浸液[8]、完全浸液[11]3种。

2011年，英国曼彻斯特大学的王增波等人将二氧化硅微球无浸液地播洒在阳极氧化铝(AAO)样品表面，在放大率80×、NA=0.9的光学显微镜下，观察到孔径为50 nm的AAO样品结构[7]。成像方案如图1(a)所示，成像结果如图2所示。

图1 微球透镜显微成像方案Fig.1 Microsphere lens microimaging scheme

图2 AAO样品成像结果Fig.2 AAO sample imaging results

同年，浙江大学的刘旭课题组在二氧化硅微球透镜超分辨显微成像的研究中，对比无浸液方案(图1(a))和液体半浸没的方案(图1(b))，发现乙醇半浸没的显微成像方案获得的结果放大倍率小，但是图像的对比度显著增强[8]，成像结果如图3所示。

图3 二氧化硅微球透镜下的成像结果Fig.3 Imaging results under silicon dioxide microsphere lens

2012年，美国北卡大学夏洛特分校的A. Darafsheh课题组对高折射率微球进行实验研究。他们将直径为53 μm，折射率为2.1的钛酸钡微球撒在蓝光光盘表面，在放大率20×、NA=0.4的显微物镜下，观察到宽度为200 nm、间距为100 nm的蓝光光盘表面结构[9]。

2013年，Seoungjun Lee将折射率为1.59的聚苯乙烯微球无浸液地撒在蓝光光盘表面，在放大率50×、NA=0.75的光学显微物镜下，成功观测到蓝光光盘表面结构[10]。2013年，Lin Li将折射率为1.9的钛酸钡微球去离子水完全浸没在蓝光光盘表面，在放大率50×、NA=0.75的显微物镜下，成功观测到蓝光光盘结构[11]。

2014年Arash Darafsheh课题组对比了两种显微成像方案——钠钙玻璃微球(n=1.51)无浸液的方案与钛酸钡微球(n=2.1)异丙醇浸没的方案，发现钛酸钡微球异丙醇浸没的方案下能获得更好的图像质量[12]，成像结果如图4所示。

图4 两种方案下的成像结果Fig.4 Imaging results under two scenarios

此外，Arash Darafsheh对不同倍率和数值孔径的显微物镜进行研究。发现在相同的实验条件下，微球结合放大率20×、NA=0.4的物镜相比于微球结合放大率100×、NA=0.9的物镜成像更清晰，对比图如图5所示。

图5 不同成像方案下的样品图Fig.5 Sample diagrams under different imaging schemes

采用液体浸没微球时，由于液体容易挥发，浸没液高度变化，导致获得的图像变化，无法长时间观察。2015年Arash Darafsheh利用PDMS薄膜固体浸没钛酸钡微球，解决了液体浸没无法长时间观察的难题，装置方案如图6所示[13]。

图6 钛酸钡微球浸没在PDMS薄膜中的成像方案Fig.6 Imaging scheme under barium titanate microsphere immersion in PDMS film

2016年，南京师范大学的郭明磊在研究钛酸钡微球透镜超分辨显微成像时，发现微球直径对成像质量有一定的影响[14]。微球直径在5 μm～20 μm之间时，具有最佳的图像对比效果，蓝光光盘样品的条纹可以清晰地分辨。直径大于20 μm时，图像对比度下降。

国内外不同实验方案下获得的实验结果如表1所示。在样品表面播撒低折射率微球和高折射率微球，在显微镜下都可以实现超分辨显微成像，但是微球折射率和直径、浸没方式、浸没液折射率以及显微物镜的放大倍率和数值孔径这些因素都会影响微球透镜超分辨显微成像的质量。当微球折射率低于1.8时，无需浸液即可实现超分辨显微成像。当微球折射率高于1.8时，只有在液体浸没的情况下才能获得超分辨显微成像结果。而且高折射率微球完全浸没的成像方案相比于低折射率微球无浸液的方案，获得的图像更清晰。

表1 不同成像方案下的结果Table 1 Results under different imaging scenarios

本课题组将折射率为1.5的三聚氰胺甲醛微球完全浸没在PDMS中观察蓝光光盘，获得了清晰的成像结果。而且通过对比发现，口径11 μm的三聚氰胺甲醛微球浸没在PDMS中的超分辨成像质量优于口径27 μm的钛酸钡微球浸没在PDMS中的成像质量。这一结果表明低折射率微球全浸没这一成像方案也可以获得较好的超分辨成像质量，结果如图7所示。

图7 微球PDMS膜完全浸没下观察的蓝光光盘成像结果Fig.7 Blue disc imaging resultsunder complete immersion of microsphere PDMS film

1.2 成像分辨率及放大倍率

如表1所示，王增波、李林等人分别利用二氧化硅微球和钛酸钡微球，将光学显微成像的分辨力提高到50 nm[7，11]。Hok Sum Sam Lai利用钛酸钡微球，将分辨率提升到40 nm[15](图8白色箭头所指位置)。此外，研究人员还对间距为100 nm的蓝光光盘、直径为280 nm的聚苯乙烯微球阵列、特制的纳米柱等多种样品进行超分辨成像实验研究。微球透镜超分辨显微成像技术不仅能够用于观测金属结构的样品，还可以观察非金属结构，甚至用于观察活体病毒[11]，应用范围广泛，而且可以实现约λ/7的成像分辨率[12]。

图8 40 nm间距的CPU成像结果Fig.8 CPU imaging results at 40 nm spacing

在放大倍率的研究上，王增波在改变二氧化硅微球的直径时，发现随着微球直径的增加，成像放大率也显著增加[7]，如图9所示。同年，刘旭课题组发现乙醇半浸没二氧化硅微球时，放大倍率减小[13]。2012年，Arash Darafsheh课题组将不同直径的钛酸钡微球浸没在异丙醇中，对金纳米颗粒二聚体NPD成像[9]，实验结果如图10所示。当微球直径小于10 μm时，随着直径增大，放大倍率增大；当微球直径大于10 μm时，随着直径增大，放大倍率减小。

图9 二氧化硅微球直径与成像放大倍率之间的关系Fig.9 Relationship between diameter of silicon dioxide microsphere and magnification of imaging

图10 钛酸钡微球直径与放大倍率之间的关系Fig.10 Relationship between diameter of barium titanate microsphere and magnificationof imaging

2015年中国科学院光电技术研究所庞辉分别利用5 μm的二氧化硅微球、20 μm的钛酸钡微球，结合放大率100×、NA=0.9的显微物镜，将二氧化硅微球半浸没、钛酸钡微球完全浸没在不同折射率的介质层中，发现介质层的折射率越小，成像的放大倍率越大[16]，结果如表2所示。

表2 不同浸没液折射率下的放大倍率Table 2 Magnification of different immersed fluid refractive indicators

在微球透镜成像放大倍率的实验研究中，研究人员依据各自的实验结果，拟合放大倍率曲线。2011年，王增波在对二氧化硅微球放大倍率研究中，拟合的公式为M=(Imax/I0)β，其中，β≈0.34。2016年，王飞飞将实验研究获得的放大倍率进行曲线拟合，获得了拟合公式[1]：

M≈k×fFDTD/(fFDTD-(D/2+Δz))

(1)

式中：fFDTD为时域有限差分算法仿真的焦距；D为直径；Δz为样品与微球之间的间隔；k为系数。

如表3所示，由于微球折射率及直径、成像样品、浸没方式、浸没液折射率等方面的不同，实验获得的成像放大倍率有所不同。王增波根据二氧化硅微球的实验结果，以聚焦光强的指数倍来拟合放大倍率。王飞飞采用微球直径、样品与微球的距离、仿真出来的焦距为变量来拟合放大倍率。由于变量设置的不同，获得的拟合公式差别很大，并且拟合的依据只是研究人员几个实验条件下数据，在其他条件下是否符合尚未验证。目前而言，尚未有统一的公式能完全拟合出系统的放大倍率。

表3 二氧化硅微球在不同直径、样品、物镜、浸没方式下对应的放大倍率Table 3 Corresponding magnification of silicon dioxide microspheres in different diameters, samples, objective lens, immersion modes

1.3 成像视场限制与拓展

微球透镜超分辨显微成像技术虽然突破了衍射极限，提高了成像的横向分辨率，但是微球透镜超分辨显微成像技术的成像视场局限于几μm到十几μm[9]，如图11所示。而且，随着微球直径的增加，微球透镜超分辨成像的清晰度变差，单个微球视场仅限于十几μm，存在物镜全视场浪费的问题。

图11 成像视场与微球直径之间的关系Fig.11 Relationship between imaging field of view and microsphere diameter

目前，在微球透镜超分辨实验研究中，微球主要是以随机分散的方式置于样品表面。为了扩大成像视场，研究人员利用钨探针[17]、毛细玻璃管[18]、PDMS薄膜[19]、微球机器人[20]、AFM探针[21]等方法，将微球移动到待观测目标区域，获取图像结果后通过移动微球拼接成像结果，从而实现视场扩大。这些扫描方式虽然实现了视场的扩大，但是存在扫描效率低的问题。

为此，研究人员开展了微球透镜阵列的制备技术研究。王飞飞总结了两种通过调制界面不稳定来实现微球透镜阵列制造的方法——基于光诱导电流体动力学的微纳制造方法和基于机械调制界面不稳定的微纳制造方法，并通过实验证实微球透镜阵列可以实现良好的成像效果[22]，结果如图12所示。除此之外，还有自集合旋涂法[23]、玻璃基底吸附旋涂法[24]，以及沉积掩膜刻蚀[25]等微球阵列的制备方法。

图12 微球阵列及成像结果Fig.12 Microsphere array and imaging results

此外，研究人员利用微柱透镜超分辨显微成像来获得更大的成像视场。2016年，英国班戈大学James N. Monks采用微柱[26]结合光学显微镜，在反射模式下获得了蓝光光盘的表面结构，成像结果如图13所示。微柱透镜相比于微球，成像视场更大。但是，由于制作困难，对于微柱透镜的研究较少。将微柱与阵列相结合，有序排布微柱透镜，制作微柱阵列PDMS膜盖玻片，是打破成像视场限制的一种有效手段。

图13 微柱对蓝光光盘成像结果Fig.13 Imaging results of microcolumnto blue-ray disc

2 微球透镜超分辨显微成像机理

通过微球透镜超分辨显微成像技术，科研人员在可见光波段获得了最高40 nm的成像分辨率，突破了传统光学显微镜200 nm的衍射极限，提升了光学显微镜的横向分辨率。但是，在微球透镜超分辨成像机理上，尚未有理论能完全解释实验现象。

2.1 几何光学分析

2012年，浙江大学的王淑莹采用几何光学的方式分析微球透镜的显微成像机理[27]，将微球看成是一个透镜。样品经过微球放大之后，被显微镜二次放大。这就解释了微球的放大作用。

图14 成像示意图 Fig.14 Imaging schematics

2014年，南京师范大学的叶燃采用Zemax软件对微球透镜显微成像进行了仿真，发现Zemax软件仿真的成像倍率以及焦距与实验结果相差较大[28]。由于微球直径在波长量级，光的散射无法忽略，所以利用几何光学分析微球透镜显微成像不够准确。此外，利用几何光学的知识，无法解释衍射极限的突破现象，所以几何光学无法解释微球透镜超分辨显微成像机理。

2.2 倏逝波传输

衍射极限的存在，导致传统的光学显微镜无法观察200 nm以下的微观物体。携带物体高频信息的信号丢失，被认为是衍射极限存在的原因。当光波从光密介质入射到光疏介质且入射角大于临界角时，发生全内反射，但仍有一部分光场将穿过界面进入到光疏介质一侧，其振幅随着与分界面垂直距离的增大而呈指数形式衰减，这部分光场称之为倏逝波。倏逝波的波数大于传导波，能够携带高频的信息。通过收集携带高频信息的倏逝波，可以实现更高的分辨率。

在近场中传播的倏逝波，经过微球透镜转换为传输波，可传输到远场，被传统的光学显微系统所接收，从而实现超分辨显微成像。

2.3 纳米喷射效应

2004年，美国西北大学Zhigang Chen发现，当平行光照射微米级介电圆柱和微球时，介电圆柱和微球将入射平行光束聚焦成亚波长量级的光束，这一现象被称为光子纳米喷射效应[29]。2008年，Ferrand等人通过针孔滤波的快速扫描共聚焦显微镜，直接实验证实了微球产生的光子纳米喷流的存在[30]。针对这一效应，研究人员对其特性、潜在应用等进行了研究。

平行光束经介电圆柱或者微球聚焦成亚波长量级的光束，如图15所示。对该光束，我们通过半高全宽、光强最大值、焦点(光轴上光强最大值对应的点)、喷射长度等参数表征。其中，光轴上光强最大值对应的点即为焦点，从微球的球心到焦点的距离为微球透镜的焦距。喷射长度定义为从光强最大值点沿轴方向光强衰减到1/e2的距离，半高全宽为在光强最大值处，垂直于光轴方向上光强最大值的一半对应的距离。

光子纳米喷射效应的特点为[31]：1) 它是一种非渐逝的传播光束，可以保持亚波长半高全宽(FWHM)传输；2) 其最小FWHM波束宽度可小于经典衍射极限，实际上可以达到λ/3；3) 它的强度很高，远远超过照射波的强度。

图15 光子纳米喷射的参数表征Fig.15 Parametric representation of photon nanoinjection

研究人员通过米氏散射和时域有限差分算法，利用仿真软件(FDTD、CST、COMOL)对光子纳米喷射效应进行研究，以此来研究微球透镜超分辨现象。

2005年，美国西北大学的Xu Li用FDTD软件，二维仿真研究平行光经过微柱之后的汇聚情况，三维仿真研究平行光经过微球之后的汇聚情况[32]。仿真结果发现，与二维仿真情况相比，三维仿真下获得的纳米喷射的强度和后向散射增强能力都高出几个数量级，可见微球的汇聚结果比微柱效果好。这和实验中利用微球透镜获得的超分辨图像成像质量比微柱透镜更好的现象吻合。

2005年，法国光学系统实验室的Sylvain Lecler研究折射率和微球半径对光子纳米喷射的影响[33]。发现平行光经过高折射率微球时，焦点(光轴上强度最大的点)在球体内部，没有超分辨现象，当平行光经过低折射率微球时，焦点在微球外部，存在超分辨现象。仿真结果如图16所示。这一仿真结果解释了低折射率微球无浸液的方案下能够获得超分辨图像，高折射率微球在无浸液的方案下无超分辨成像这一现象。

2008年，Patrick Ferrand通过实验，证实平行光经过微球透镜产生的光子纳米喷射效应不存在相互作用[34]。2011年，Myun-Sik Kim测量了光子纳米喷射的半高全宽，实验结果和仿真结果误差在5%以内[30]。

2013年，王增波组的Lee利用3种不同折射率的浸没液浸没钛酸钡微球(水、糖、物镜油)(1.33，1.399，1.518)，发现浸没液折射率减小，成像放大倍率以及分辨率会增加[35]。通过软件模拟，发现最大强度位置(MIP)可以影响成像。当MIP接近微球时，分辨率和放大率会增加，这将导致足够的能量聚焦在光子纳米喷射上，结果如图17所示。

图16 平行光经过微球后的汇聚Fig.16 Convergence of parallel light after passing microsphere

由此可见，利用时域有限差分算法对于光子纳米喷射效应进行仿真，与实验中获得的光子纳米喷射的半高全宽基本一致，它为光子纳米喷射效应的研究提供了完整的电磁场图。而且通过对光子纳米喷射现象进行仿真，解释了很多微球透镜超分辨显微成像实验结果。

2.4 成像分辨率的定义与计算

通过实验观测，研究人员得到微球透镜超分辨显微成像的分辨率λ/7。倏逝波传输理论和光子纳米喷射效应虽然能够解释微球透镜实现超分辨显微这一现象，但是获得的分辨率(固体浸没效应λ/4，光子纳米喷射效应半高全宽λ/3～λ/2)远远小于实验室中所观察到的分辨率(λ/6～λ/7)。由实验观测得到的样品的特征尺寸来表征超分辨成像系统的分辨率，这是不准确的。所以，为评估微球透镜超分辨显微成像系统的分辨率，要对分辨率进行定义和计算。

数值孔径为NA=n0×sinθ的成像系统，可分辨的具有相同强度的点光源的最小间距为Kλ/NA。当微球透镜与样品接触时，由于固体浸没效应，微球透镜光学衍射极限的分辨率约为λ/2ns，其中ns为微球透镜折射指数。按此定义，微球透镜超分辨成像的理论分辨率小于λ/4。通过谱分析发现，由微球透镜所产的电磁场的频谱可高达2k0。当Δz<λ/2时，k0=2πnw/λ≈0.71kmax，nw为水的折射率。径向频率为k0～2k0时，可以将分辨率拓展1.71～2.42倍。结合微球透镜带来的固体浸没效应，理论上微球透镜可以获得分辨率λ/6.84～λ/9.68[36]。

图17 100 μm BaTiO3微球浸没在3种介质中的汇聚情况Fig.17 100 μm BaTiO3 microsphere immersion in aggregation of three mediums

此外，由于成像系统所成图像是系统点扩散函数与物体强度分布函数的卷积，因此我们还可以通过与系统点扩散函数卷积对微球透镜的分辨率进行估计。以扫描电子显微镜所测量的数据作为标准，设定为二维矩形函数。将此函数与高斯拟合的点扩散函数进行卷积，然后与微透镜观测的实验数据进行匹配，从而以Houston判据为标准获得高斯函数所拟合的点扩散函数的FWHM。直径为57 μm微球的分辨率为λ/6.3。当入射光的峰值波长为550 nm时，57 μm微球的分辨率为λ/6.3。当微球直径降低至λ/6.3≈27 μm时，分辨率为λ/8.4≈65 nm。

通过微球透镜的固体浸没效应以及谱分析可以发现，微球透镜可以获得λ/6.84～λ/9.68的分辨率。通过对系统点扩散函数卷积，同样获得了λ/6.3～λ/8.4的分辨率[21]。这两种方法获得的理论分辨率与实验结果基本吻合，因而微球透镜的超分辨成像的分辨率可以由微球透镜的固体浸没效应以及谱分析进行理论计算分析，也可以由实验结果对系统点扩散函数卷积计算获取。

3 微球透镜三维超分辨检测

基于微球透镜的超分辨显微成像技术获得的是待测样品表面的成像图案，获得了较高的横向分辨率。干涉显微技术利用白光的短相干特性，能够获得待测样品的表面微观形貌，其轴向分辨率可达亚纳米级，但其横向分辨率仍然受衍射极限的影响，最高仅200 nm。微球透镜超分辨成像技术恰好可以提升横向分辨率，因此，研究人员通过将微球透镜与干涉显微技术结合，实现了样品的三维形貌的超分辨检测。

3.1 微球透镜超分辨干涉显微检测光路

2016年，王飞飞将微球透镜与Linnik型白光干涉显微物镜结合，在样品表面随机撒上钛酸钡微球，并用水浸没，成功复原出周期200 nm、间隔100 nm的蓝光光盘的表面结构，实现了三维形貌测量[37]，光路图以及三维恢复结果如图18所示。2017年，瑞士赫尔辛基大学的I. Kassamakov采用Mirau型白光干涉显微物镜，利用口径11 μm的聚合物微球，在样品表面撒上微球无浸液的条件下，实现了对蓝光光盘的三维超分辨形貌测量[38]，光路和结果如图19所示。

图18 干涉显微光路图以及蓝光光盘三维恢复结果Fig.18 Interference microscopicoptical path diagram and blue-ray disc 3D recovery results

图19 Mirau干涉显微光路和结果Fig.19 Optical path and results

3.2 三维形貌复原分辨率结果与分析

由于Mirau型干涉物镜具有结构紧凑的优点，在商用白光干涉仪上广泛采用。因此，本课题组针对微球透镜与Mirau型干涉显微物镜相结合的三维超分辨检测技术，开展了大量实验研究工作。

以周期为700 nm的DVD光盘为样品，在二氧化硅微球下结合Veeco白光干涉仪使用的放大率50×、NA=0.5的Mirau型干涉物镜，获得了DVD光盘的干涉条纹和放大结构。基于白光干涉的相位算法，在简单的消除球的倾斜后，获得了DVD光盘的三维形貌，表面形貌结果如图20所示。与AFM获得的结果对比，发现高度上存在失真，AFM获得的高度信息如图21所示。AFM获得的高度信息为90 nm，而经过微球后获得的高度仅为45 nm。因此，微球透镜引入了较大的测量误差。结合其他研究小组的测量，可以发现：在干涉显微技术中引入微球透镜超分辨成像技术，能够提升横向分辨率，但是受微球透镜像差与超分辨效应的影响，复原高度的信息不准确，尤其是当待测样品的周期频率较高时，高度信息偏差较大。微球透镜引入的测量误差的标定与消除方法，是目前正在开展的研究工作。

图20 二氧化硅微球结合50倍干涉物镜获得的DVD光盘高度信息Fig.20 DVD height information obtained by silicon dioxide microsphere combined with 50 times interference objective

图21 DVD在AFM下获得的高度信息Fig.21 High information for DVDs at AFM

针对周期为300 nm，间隔为100 nm的蓝光光盘表面结构，我们利用直径11 μm的三聚氰胺甲醛微球，结合50倍Mirau型干涉显微物镜，在PDMS浸没的条件下，观察到了清晰的蓝光光盘表面微结构。PDMS薄膜与微球在测试光路中额外引入了光程差，造成干涉显微物镜中参考光路与测试光路光程不匹配。本课题组通过对干涉显微物镜中的参考板和分光板进行优化设计，实现了微球超分辨成像时的光程匹配，获得了干涉图。干涉图对比度约为0.75，结果如图22所示。

图22 微球结合干涉物镜获得的光盘表面结构干涉图Fig.22 Disc surface structure interference diagram obtained by microsphere combined with interference objective

干涉显微物镜系统主要有Mirau型、Linnik型和Michelson型3种结构形式。其中Linnik型和Michelson型作为参考光与测试光分光路的测量系统，抗干扰能力差，系统集成难度大。研究Mirau型干涉物镜与微球透镜相结合实现超分辨三维检测，可以以简单易实现的方式在商用白光显微干涉仪上应用推广。虽然微球透镜与干涉显微物镜相结合，目前能够获得微纳物体的三维超分辨结构信息，但是微球透镜对于横向分辨率衍射极限的突破，牺牲了白光显微干涉术本身的高度复原精度。究其原因，从成像角度来说，干涉显微物镜自身是像差完善校正的元件，微球透镜与薄膜引入了像差；从干涉角度来说微球透镜与薄膜在测试光路中引入了额外的光程，造成干涉两臂的光程不匹配。然而，仅从几何光学范畴考虑微球和薄膜引入的光程问题仍不够，因为微球透镜超分辨成像是在近场光学作用下的效果。因此，研究近场领域的像差理论，分析微球超分辨成像的作用机制，才能根本解决微球透镜与干涉显微物镜相结合的诸多问题，使得微球透镜的三维超分辨检测获得更加准确的结果并具有实用价值。

4 结束语

微球透镜与光学显微技术相结合，可以突破衍射极限，将显微镜分辨率提升40 nm，由于其简单易实现，因此具有广阔的发展和应用前景。通过改变微球透镜二维超分辨显微成像方案，可获得更高的分辨率，更大的成像视场和更清晰的图像。

在微球透镜的超分辨成像机制上，尚未有最终定论，目前还没有较好的理论能够完整解释微球透镜的超分辨效应。几何光学的方法无法解释衍射极限突破时。固体浸没效应和谱分析结合，以及对系统点扩散函数卷积这两种方案计算的微球透镜分辨率和实验测量的结果基本符合。但是，由于微球种类、成像物镜、成像样品、微球直径等方面的不同，实验中获得的成像分辨率和放大倍率都有所不同。这说明除了倏逝波以及光子纳米喷射效应之外，还有其他的因素影响了微球透镜超分辨成像。一旦把这些因素全都考虑进去，获得完整的微球透镜超分辨成像机制，将大大促进这项技术的应用。

在三维形貌检测领域，微球透镜与干涉技术的结合能够实现微观结构的三维超分辨形貌检测。但是微球与薄膜在干涉光路中引入了附加光程差和成像像差，导致了横向分辨率对于衍射极限突破时牺牲了白光显微干涉术的轴向分辨率，三维形貌复原信息不准确。因此，只有明确了微球透镜的超分辨成像机制，理解了微球透镜的作用方式，才能够对干涉显微物镜和微球透镜进行联合像差校正与干涉光路设计，在实现超分辨成像的同时，准确获取三维形貌信息。

此外，当前的微球透镜超分辨效应的测量对象有限，主要是DVD光盘、蓝光光盘、人造周期型金属栅格结构，还没有能够实现对消费电子类元器件样品表面的通用测量。总的来说，现有的微球透镜成像方案已经取得了超分辨的效果，但是超分辨成像机制的完整解释欠缺，微球透镜近场域的作用关系未知，使得其在二维成像、三维检测领域仍有诸多局限性。假以时日，一旦这些问题得以解决，微球透镜超分辨成像技术简单易实现的本征优势，将在微纳米元件的检测材料科学以及生物组织成像等领域迎来广阔的发展空间。