基于互易性原理的光场显微成像技术研究

Current light field microscopes suffer two major issues. The one is that the scheme using micro lens array acquires angular information at the expense of spatial resolution. The other is that the multi-camera scheme results in complexity and high cost in terms of experimental set-up. In this project, the applicant investigates a novel scheme of light field microscopy which simultaneously has high spatial resolution and a compact experimental set-up. The scheme proposed by the applicant is based on active modulation of light fields and requires only one camera. By modulating the illumination source with a set of structured patterns, we can capture the 4D light field using a camera. Then using the single-pixel imaging method, we can retrieve a 2D image from each pixel. As each pixel has a unique location, the images retrieved from different pixels contain different angular information. As such, the angular information can be directly recorded via a camera without inserting a microlens array. Besides, the image resolution, according to the Helmholtz reciprocity, is only determined by the spatial modulation frequency of the illumination light field. With the proposed scheme, one will not have to trade spatial for angular information and vice versa. The proposed scheme provides light field imaging with a new insight and, therefore, has an important academic value. In addition, the proposed light-field microscopy not only might find applications in biological medicine, but has important scientific significance for the development of life science as well.

针对已有两种光场显微镜存在的问题：单相机微透镜阵列方案的角度信息获取导致空间分辨下降和多相机阵列方案的结构复杂。本项目利用互易性原理，探索同时具有高空间分辨率和结构紧凑的第三种光场显微镜方案：主动调控照明光场的单相机方案。通过调控照明光场，利用一个相机采集四维光场信号；相机靶面上的每个像素点作为一个单像素探测器，利用单像素成像的重建方法，每个像素点重建一幅二维图像；不同像素点的空间位置不同导致重建的二维图像所包含的光场角度信息也不同，因此无需采用微透镜阵列，一个相机就可实现角度信息的探测。根据光的互易性原理，单像素点重建的二维图像的空间分辨率，由照明光场的空间调制频率决定，从而解除了角度分辨和空间分辨的相互制约关系，为提高光场显微镜的空间分辨率创造了条件。该技术为光场成像的发展提供了一种新的思路，具有重要的学术价值，其在生物医学中的广泛应用，对促进生命科学的发展，具有重要的科学意义。

目前应用较多的光场显微成像技术是利用一个微透镜阵列和一个二维像素化探测器（相机）探测光场的四维信息（二维角度信息+二维空间信息），二维角度分辨率和二维空间分辨率存在一个权衡，两者存在一个相互制约的关系，导致空间分辨率比常规显微镜更低，而空间分辨率是显微镜的一个重要性能指标，空间分辨率的下降，制约着其应用范围。本项目在亥姆霍茨互易性原理的启发下，借助于单像素成像技术，研究提出利用一个空间光调制器在像面对样品的像进行调制，或利用一个空间光调制器产生的结构光照明样品，以捕获光场的二维空间信息，再利用一个二维像素化探测器在傅里叶面获取光线的二维角度信息。根据互易性原理，提出方案中的空间光调制器相当于一个虚拟二维像素化探测器，也就是相当于利用两个二维像素化探测器获取光场的四维信息，光学系统的空间带宽积增大一倍，从而突破了基于微透镜阵列器件的光场成像技术对空间分辨率的限制，由此提出了一种可以实现全探测器分辨率的基于单像素成像的傅里叶域采样光场显微成像技术。围绕这一技术，本项目开展了成像机理、图像重建算法以及相关的单像素成像、斜照明成像等研究。分别针对透射式样品、反射式样品和彩色样品进行了提出技术的实验验证，实验结果表明提出的傅里叶光场显微成像技术在分辨率方面具有明显的优越性，在彩色光场成像中没有使用微透镜带来的严重色差问题。同时，在提出的基于单像素成像的傅里叶域采样光场显微成像理论基础上，本项目发展出了一种基于单像素成像的综合采样显微成像技术，以提高显微成像的采样分辨率。本项目将对偶摄影概念进行了拓展，提出了傅里叶对偶成像概念，研究提出了一种具有全采样分辨率的基于傅里叶对偶成像的光场相机，对光场相机的发展具有重要意义。本项目研究提出的光场成像理论为光场成像的发展将提供了一种新的思路，具有重要的学术价值，提出的全分辨光场显微成像技术在生物医学、材料工程等领域具有广泛应用的潜力。