光学部分
传统的 SIM 由 Mats Gustafsson（参考文献 1）发明，依赖于由线组成的已知周期性照明图案（网格），该图案应用于未知样本，并且通过网格和样本之间的干扰揭示新的附加空间信息。 在我们的 SIM 中，光由掩模构成，该掩模由微透镜生成的衍射受限点阵（即多点阵 SIM）制成。通过掩模，光图案投射到样品上，并通过用振镜将掩模移动精确的角度，对样品进行整体扫描并获取多个原始图像。通过算法收集和组合原始图像，以计算方式重建超分辨率图像，实现光学系统能够实现的双倍空间分辨率（图 2）。 总之，结构照明是由微透镜阵列产生的，可实现最佳的光通量、均匀的光强度和最佳的离焦光抑制。与其他基于条纹图案的 SIM 方法相比，我们的 SIM 可确保深度采集的高对比度、成像采集速度的大幅提升和稳健的精细加工，最终确保最佳的光学切片。
图 2: 图像采集与处理的过程
计算部分
获得超分辨率图像的最后一步是对获取的原始图像应用重建算法。计算基于光学系统的点扩散函数 (PSF)，类似于反卷积过程的作用。由于较小的 PSF 和良好的光学切片，SIM 使横向和轴向分辨率整体提高了 2 倍。简化起来，该算法提取焦点内的生物信息，减去焦点外的信号。我们的 SIM 方法是联合 Richardson-Lucy (jRL) 反卷积的修改版本，应用于多点 SIM 可以将分辨率提高 2 倍（参考图 3）。
图3
与传统的 Richardson-Lucy 反卷积方法一样，图像重建是通过最大似然估计 (MLE) 实现的，这是一种统计方法，从原始图像开始，通过迭代方法倾向于在数学上最小化统计参数，从而产生输出超分辨率图像。在计算数学中，迭代方法是一种计算过程，它使用初始值来生成一类问题的一系列改进近似解，其中第 n 个近似值是从先前的近似值中得出的（图 4）。 事实上，通常需要的迭代次数约为25次迭代，并且是自动设置的。无论如何，操作员可以通过具有“高级模式”选项的软件修改该值。值得注意的是，高度并行化的 CUDA 代码用于快速阐述
图4
我们的显微镜结合了样品的结构照明方式和计算超分辨率数据的获取方式，改进了图像光学切片，从而提高了所有 3D 维度的分辨率（XY 横向分辨率：~100 nm；Z 轴分辨率：~300 nm）。 XYZ 方向的分辨率测量（即半峰全宽 (FWHM) 值）是使用不同的工具完成的：Argolight SIM-slide、Gattaquant SIM-Nanorules、生物结构如细胞骨架和 TermoFisher Tetraspeck Beads）。技术细节见图5。
图5: FWHM 测量。 A) Argolight SIM 滑动模式，其中条逐渐分开。解析的距离如图所示，数值以纳米为单位。 B) 120 nm 的 SIM 纳米规则。 SIM 在 XY 平面上测量为 126 nm。 C) 小胶质细胞中的微管蛋白（细胞骨架）：在 XY 平面上测量 100 nm。 D) 100 nm 的珠子：在 XY 平面上分辨率为 102 nm，在 Z 方向上分辨率为 290 nm。所有测量均在 510 nm 发射波长下使用 100X 油 1.45 NA Plan Apochormat 物镜进行。
SIM 重建算法保留线性度。对焦信息的行为已通过曝光时间的线性增加进行了测试，并且测量到的信号强度的增加（即，使用相同的重建参数（例如交互次数）获得的对焦信息）与用于获取原始图像的曝光时间（例如，将曝光时间加倍，最终图像中会观察到双倍的计数；图 6）
图 6: 沿着 16 个条纹进行强度测量（Argolight SIM 幻灯片模式：具有渐进强度的条形）。通过将曝光时间加倍（绿线：500 毫秒；橙色线：250 毫秒），最终图像中会获得双倍的计数（Y 轴，强度）。