本發明提供了一種用于光場顯微鏡的三維信息重構方法，該光場顯微鏡包括微透鏡陣列，該微透鏡陣列包括多個微透鏡，該三維圖像重構方法包括從該傳感器接收該多個微透鏡所投射的樣品在不同視角下的實像以獲得一平面圖像Img_Meas(x，y)；執行以下迭代運算直至收斂：步驟(a)：基于該微透鏡陣列所構成的成像系統的點擴散函數PSF(x，y，z_k)和該樣品的三維信息估計Obj^i?1(x，y，z_k)獲取該樣品的估計圖像i為迭代索引；以及步驟(b)：基于該估計圖像與實際采集到的該平面圖像Img_Meas(x，y)的差異校正該樣品的該三維信息估計Obj^i?1(x，y，z_k)，以獲得用于下一輪迭代中步驟(a)的三維信息估計Objⁱ(x，y，z_k)，迭代收斂后的該三維信息估計Objⁱ(x，y，z_k)被作為該樣品的最終三維信息。

技術領域

本發明涉及顯微鏡技術，尤其涉及一種用于光場顯微鏡的三維信息重構方法、裝置，以及一種光場顯微系統。

背景技術

光場顯微鏡是一種只需要進行一次的相機曝光采集數據，就能夠獲取物體三維信息的成像技術。用光場獲取物體三維信息的概念早在1908年Gabriel Lippmann發明的integral photography技術中提出，其基本工作原理是：光線的位置和傳播方向可以通過測量其通過的空間中的兩個不重合的點唯一確定。基于此概念，Marc Levoy于2006首次將光場相機的概念應用于熒光顯微鏡。

Marc Levoy提出的光場顯微鏡將一個微透鏡陣列放置于顯微鏡的像平面，相機放置于微透鏡的焦平面。隨后，在Todor G.Georgiev于2007年申請的美國專利(US 7,872,796B2)中提出了將微透鏡陣列放置于顯微物鏡的后焦面，如圖1所示。從不同微透鏡獲得的從不同方向觀察樣本的投影圖像在像平面上被采集。將采集得到的一整幅二維圖像分割成多個方向的投影圖像，再根據投影重構(projection tomography)的算法就可以獲得物體的三維信息。

這兩種光場顯微技術的數據重構算法中，都使用了基于光線光學的模型，即認為光線可以沿直線傳播，光斑尺寸不隨傳播距離而改變。但由于光波的衍射效應，以上模型在逼近顯微鏡的分辨率極限時會失效，光的衍射效應會導致以下兩個矛盾。

一是傳統光場顯微鏡的X-Y平面分辨率和可視場軸向深度互為矛盾，不能同時優化。例如，在工作波長為λ(例如：500納米)時，如果需要得到X-Y平面分辨率為δ(例如：3微米)，則根據高斯光束理論，光束直徑不變的有效范圍約為2πδ²/λ(例如：113微米)。那么該條件下，傳統光場顯微鏡在保證要求分辨率的條件下，能夠有效重構的最大軸向范圍約為2πδ²/λ(例如：113微米)。但很多情況下，高的分辨率和大的軸向覆蓋范圍需要同時都滿足

二是受較高圖像采集速度要求的限制，或采集相機工藝條件的限制，造成采集圖像的像素數目有限的情況下，傳統光場顯微鏡的軸向分辨率和三維可視場的覆蓋范圍互為矛盾，不能同時優化。

例如，使用一個2048x 2048像素的相機獲取圖像，如果需要N x N個像素來對可視場的X-Y平面進行覆蓋(例如：400x 400)個像素，那么2048x2048像素的相機同時至多采集Mx M，M＝2048/N(例如：5)個方向的投影圖像。如果可視場軸向的覆蓋范圍要求為L(例如113微米)，在工作波長為λ(例如：500納米)的情況下，根據高斯光束理論，得到每個微透鏡的數值孔徑不能超過(例如：0.83)，那么該系統能夠獲得投影圖像的最大投影角僅為θ＝sin^-1(NA)*M/2(例如：12度)，從而得到其軸向分辨率僅為δ_z＝δ/tanθ(例如：15微米)。

因此，本領域亟需一種改進的光場顯微技術。

發明內容