光学显微镜在工业精密测量和生物成像领域中一直扮演着重要的角色,特别是在生物成像领域,分子荧光探针特异性标记技术的发展使得光学显微镜变得愈加不可替代,其非接触、无损、可动态实时观测特性是其他非光学显微测量手段难以具备的。但是,众所周知的光学衍射极限严重限制了其空间分辨能力,提升光学显微镜的空间分辨力是工业精密测量、精密制造、生物制药、活体细胞成像等众多前沿领域的迫切需求。本课题“基于误差反向传播原理的结构探测超分辨显微技术研究”主要针对生物成像领域,旨在通过结构探测方法实现对生物荧光样品的超分辨。结构探测方法可在不改变现有激光扫描显微系统结构的前提下相对宽场显微系统提升2倍的横向分辨力,与宽场结构照明技术相比,在激光扫描显微系统探测臂中实现的结构探测方法在原理上具备层析能力,而且通过结构探测超分辨可在长波照明条件下获得短波照明的分辨力,更长的激发波长意味着更大的探测深度及更小的光毒性和光漂白问题,更有利于生物细胞成像。但是,传统结构探测技术从结构照明技术发展而来,仍需使用余弦函数探测并进行频谱重构,而实际的光学显微系统不可能完全理想,任何器件的参数或位置偏差都会导致探测函数与理论值的差异,而频谱重构过程又会引入新的误差,导致结构探测超分辨成像分辨力的降低。另外,结构探测技术必须首先通过CCD/CMOS逐点采集光斑图像,再由计算机通过数字图像处理实现“虚拟”探测和图像重建,其原始光斑图像的逐点采集方式导致传统结构探测技术的成像速度极其低下,远远无法满足快速成像需求。本课题首先分析了在激光扫描显微系统探测臂中的结构性非均匀探测理论,证明在激光扫描显微系统中的结构探测方法与宽场显微系统中的结构照明方法同样具备基于频带扩展的超分辨成像能力。然后建立了基于单个神经元的结构探测超分辨模型,通过误差反向传播算法实现对结构探测函数的求解。此外,本课题针对传统结构探测技术的原有图像采集方式对成像速度的限制问题,研究了基于时空调制原理的阵列式并行结构探测快速成像方法,在实现超分辨的同时显著提高结构探测成像速度。本课题主要工作内容如下:(1)针对结构探测函数的优化问题,提出并研究了基于误差反向传播原理的结构探测超分辨显微成像方法,以激光扫描显微系统探测臂的结构探测超分辨理论为基础,建立基于单个神经元的结构探测超分辨模型,通过结构探测函数与探测光斑图像的一次结构探测直接重建超分辨图像,消除传统结构探测方法的多次探测和频谱重构过程。首次在结构探测显微系统中引入误差反向传播方法并建立了基于该方法的结构探测函数优化模型,即样品参考图像与实际结构探测重建图像之间的误差通过反向传播实现对结构探测函数中权值的调整,解决因余弦结构探测函数误差导致的分辨力下降问题。设计并编写了基于Visual Studio MFC的高效结构探测函数计算软件,通过仿真模拟激光扫描显微镜对样品扫描探测,仿真证明,系统横向分辨力提升为宽场显微系统的2倍。(2)针对传统结构探测技术中的图像采集效率问题,提出并研究了基于时空调制原理的阵列式并行结构探测成像方法,在激光扫描显微系统中,使用CCD/CMOS在激光扫描显微系统中采集光斑图像,基于时空调制原理对光源强度在时间上进行脉冲调制和空间上进行位置扫描累积形成阵列光斑图像。通过对激光二极管和扫描振镜的高速调制,实现对低速相机的时分复用,达到高速阵列式光斑图像采集的目的。在实验中,设置N×N的采集阵列,将采集图像总数减少为原来的1/N~2,通过减少图像采集数量提高数据采集速度,可在不增加系统结构、不降低扫描精度、不损失分辨力的前提下,显著提高结构探测方法的成像速度。最后,搭建基于时空调制的阵列式并行结构探测成像系统,对标准鉴别力板进行超分辨成像测试,获得了超过1.6倍的横向分辨力提升。对荧光标记的人类宫颈癌细胞(HeLa细胞和SiHa细胞)进行超分辨成像测试,获得了约1.8倍的横向分辨力提升。验证了基于误差反向传播原理的结构探测超分辨方法对生物荧光样品成像的有效性,且在激光扫描显微系统中通过时空调制实现了快速的结构探测超分辨成像。