[发明专利]光场显微系统及其三维信息重构方法和装置

说明书

本发明提供了一种用于光场显微镜的三维信息重构方法，该光场显微镜包括微透镜阵列，该微透镜阵列包括多个微透镜，该三维图像重构方法包括从该传感器接收该多个微透镜所投射的样品在不同视角下的实像以获得一平面图像Img_Meas(x，y)；执行以下迭代运算直至收敛：步骤(a)：基于该微透镜阵列所构成的成像系统的点扩散函数PSF(x，y，z_k)和该样品的三维信息估计Obj^i‑1(x，y，z_k)获取该样品的估计图像i为迭代索引；以及步骤(b)：基于该估计图像与实际采集到的该平面图像Img_Meas(x，y)的差异校正该样品的该三维信息估计Obj^i‑1(x，y，z_k)，以获得用于下一轮迭代中步骤(a)的三维信息估计Objⁱ(x，y，z_k)，迭代收敛后的该三维信息估计Objⁱ(x，y，z_k)被作为该样品的最终三维信息。

技术领域

本发明涉及显微镜技术，尤其涉及一种用于光场显微镜的三维信息重构方法、装置，以及一种光场显微系统。

背景技术

光场显微镜是一种只需要进行一次的相机曝光采集数据，就能够获取物体三维信息的成像技术。用光场获取物体三维信息的概念早在1908年Gabriel Lippmann发明的integral photography技术中提出，其基本工作原理是：光线的位置和传播方向可以通过测量其通过的空间中的两个不重合的点唯一确定。基于此概念，Marc Levoy于2006首次将光场相机的概念应用于荧光显微镜。

Marc Levoy提出的光场显微镜将一个微透镜阵列放置于显微镜的像平面，相机放置于微透镜的焦平面。随后，在Todor G.Georgiev于2007年申请的美国专利(US 7,872,796B2)中提出了将微透镜阵列放置于显微物镜的后焦面，如图1所示。从不同微透镜获得的从不同方向观察样本的投影图像在像平面上被采集。将采集得到的一整幅二维图像分割成多个方向的投影图像，再根据投影重构(projection tomography)的算法就可以获得物体的三维信息。

这两种光场显微技术的数据重构算法中，都使用了基于光线光学的模型，即认为光线可以沿直线传播，光斑尺寸不随传播距离而改变。但由于光波的衍射效应，以上模型在逼近显微镜的分辨率极限时会失效，光的衍射效应会导致以下两个矛盾。

一是传统光场显微镜的X-Y平面分辨率和可视场轴向深度互为矛盾，不能同时优化。例如，在工作波长为λ(例如：500纳米)时，如果需要得到X-Y平面分辨率为δ(例如：3微米)，则根据高斯光束理论，光束直径不变的有效范围约为2πδ²/λ(例如：113微米)。那么该条件下，传统光场显微镜在保证要求分辨率的条件下，能够有效重构的最大轴向范围约为2πδ²/λ(例如：113微米)。但很多情况下，高的分辨率和大的轴向覆盖范围需要同时都满足

二是受较高图像采集速度要求的限制，或采集相机工艺条件的限制，造成采集图像的像素数目有限的情况下，传统光场显微镜的轴向分辨率和三维可视场的覆盖范围互为矛盾，不能同时优化。

例如，使用一个2048x 2048像素的相机获取图像，如果需要N x N个像素来对可视场的X-Y平面进行覆盖(例如：400x 400)个像素，那么2048x2048像素的相机同时至多采集Mx M，M＝2048/N(例如：5)个方向的投影图像。如果可视场轴向的覆盖范围要求为L(例如113微米)，在工作波长为λ(例如：500纳米)的情况下，根据高斯光束理论，得到每个微透镜的数值孔径不能超过(例如：0.83)，那么该系统能够获得投影图像的最大投影角仅为θ＝sin^-1(NA)*M/2(例如：12度)，从而得到其轴向分辨率仅为δ_z＝δ/tanθ(例如：15微米)。

因此，本领域亟需一种改进的光场显微技术。

发明内容