本文旨在解读一种基于光纤阵列实现条纹结构光照明，具有超快成像速率的超分辨系统。该学术论文信息如下：
标题：High-speed multicolor structured illumination microscopy using a hexagonal single mode fiber array
地址：https://doi.org/10.1364/BOE.416546
超快SIM成像的系统原理如图1所示，主要创新点在于：(1) 基于光纤阵列实现三个方向上各向同性的超分辨率，(2) 通过偏振态控制实现不同方向光纤对选择，继而实现不同照明条纹方向的切换；同时通过将照明光束耦合到光纤中，通过光纤相移器实现照明条纹三步相移。
图1. 快速光纤式结构照明原理。(a) 倒置显微镜光路图：光线阵列出射光经中继透镜RL1准直，然后由偏振旋转器旋转。透镜对将激发光束传递到补偿分色镜(DiM1)，然后由中继镜将RL4聚焦且经二向色镜DiM2将光聚焦在物镜后焦面上。照明条纹方向由光线阵列中哪一对(1a,b、2a,b、3a,b)光纤发光决定。发射光的傅里叶平面由筒镜和和第一可变形透镜DeM L1中继到可变形反射镜上，然后经过第二可变形透镜DeM L2将像差校正后聚焦于sCMOS相机上。(b) 通过选择照明光纤对实现照明条纹方向切换，通过光纤相移器实现条纹相移。
具体来说，图1b详细展示了照明条纹方向切换与相移的方法。系统配备两个独立的照明光源，照明波长分别为488nm和532nm，通过AOTF实现高速的照明光源波长切换，然后耦合到保偏单模光纤中，然后经准直后由非偏振分束器得到两束光。这两束光是在样品表面生成干涉条纹的基础，接下来主要介绍如何实现条纹方向切换和条纹相移。两束光分别耦合进光纤移相器中，以高达20kHZ速率的控制光纤对的相对相位。为了在不同光纤对之间切换，两束光束均通过一个大孔径普克尔盒(Pockels cell)盒和四分之一波片，使得两束光的偏振态可以在S和P偏振之间以大于10kHz的速率高频切换。使用偏振分束器根据偏振态在两个光纤对(1a,b与2a,b)之间切换。同理，增加第二个普克尔盒(Pockels cell)盒和四分之一波片，可以实现两束光在光纤对(2a,b与3a,b)之间切换。1a,b、2a,b与3a,b共六根保偏光纤组成正六边形光纤阵列，位置相对的两根光纤为一个光纤对，三个光纤对呈60度夹角分布，从而实现了照明条纹方向的切换，使得SIM系统具有在三个条纹方向上具有各向同性的超分辨率。为了样品表面的照明条纹具有高调制度，需要根据条纹方向旋转光纤的输出偏振，以保持所有光在样品平面都是S偏振。特构建一个偏振旋转单元实现该功能，该单元由一个宽带线栅偏振器，一个高速液晶延迟器和一片消色差四分之一波片，可以实现频率大于1kHz的半波旋转。最后，光线阵列输出光束经图1(a)在样品表面生成照明条纹。
视频1. 直径100nm荧光微球超分辨成像。原图曝光时长为1ms，视场大小为33×33μm2，每个视场需要采集9张具有不同条纹方向与条纹相移的原图，超分辨图像的采集帧速为111帧/秒。
对比来说：基于可编程的光场调控器件(如DMD和SLM)的SIM系统，其视场受限于器件大小；基于光栅干涉的SIM系统，其条纹方向切换和相移速度较慢；本文通过光纤对间的干涉生成照明条纹，同时视场不受调控器件大小限制，通过控制偏振态选择不同光纤对实现条纹方向的切换，通过高达20kHZ速率的光纤相移器实现相移，在实验上得到了111帧/秒超分辨成像速度(视频1)；本文兼具视场和速度优势，可谓“鱼与熊掌兼得”。缺点也是有的：偏振转换是在空间光路中实现，相移是在光纤中实现，光纤与空间光路的切换使得光纤耦合次数较多，势必导致照明光功率损失较大；此外，采用了AOTF，移相器，普克尔盒，液晶延迟器，光纤纤列，可变形反射镜，可变形透镜等多个重要器件实现光场调控，SIM系统成本显著增高。此外，在高速条纹方向切换和条纹相移的基础上，还需要配合超高速率、超大面阵相机才能实现大视场的SIM成像。感兴趣的读者可以在兼具视场和速度优势的前提下，根据特定应用场景自行计算超分辨数据产率。
