基于相机阵列的光场显微成像系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及显微成像技术领域，特别涉及一种基于相机阵列的光场显微成像系统 及方法。
【背景技术】
[0002] LFM(Light field microscopy，光场显微）是一种无需扫描的三维计算成像方法， 该方法能够同时记录透过显微样本光线的二维空间和二维角度的分布。根据空间-角度的 数据可以计算合成重聚焦图像，从而进行灵活的景深调整，以及实现样本的三维体重建，因 而在光学生物成像方面有着重要的应用。
[0003] 目前，光场显微成像方式可以通过在光学显微镜中间级像平面上加入微透 镜阵列的方式实现，使得传感器像素能够在单次曝光过程中采集光场的光线。然而， MALM (Microlens array based light field microscopy，基于微透镜阵列的光场显微）需 要在传感器的空间分辨率和角度分辨率之间进行折中，导致所获得的图像空间分辨率相比 原始的传感器分辨率降低了几个数量级。
[0004] 相关技术中，为了解决光场显微空间分辨率降低的问题，例如可以通过3维反卷 积的方法来提高三维体重建的空间分辨率，或者通过在波前额外增加相位掩膜编码的方 法，从而消除轴向不均匀的空间分辨率，但是计算复杂度较高，成本较高；例如可以通过光 圈扫描或者LED (Light Emitting Diode，发光二极管）扫描等方法获得整个传感器分辨率 的数字重聚焦结果，但是易牺牲时间分辨率；例如可以通过引入样本先验信息从而计算重 构出高分辨率光场，如光场矩成像的高斯角度分布假设，朗伯反射系数先验的光场超分辨 率，通过学习过完备字典来利用其内在的冗余性方法，然而这些经验假设在显微成像中通 常并不成立。因此，相关技术中的显微成像方法还是未能很好地解决光场显微空间分辨率 低的问题，有待改进。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0006] 为此，本发明的一个目的在于提出一种基于相机阵列的光场显微成像系统，该显 微成像系统能够提高空间分辨率，并且简单易实现。
[0007] 本发明的另一个目的在于提出一种基于相机阵列的光场显微成像方法。
[0008] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于相机阵列的光场显微成像 系统，包括：显微镜，用于通过所述显微镜的相机引出口将显微样本放大到像平面；放大模 块，用于根据所述像平面生成光圈平面；相机阵列，所述相机阵列中的每个相机具有成像透 镜和传感器，所述相机阵列包括：成像透镜阵列，用于通过所述光圈平面获取所述显微样本 在不同视角下的样本图像，且所述放大模块将所述光圈平面的尺寸与所述成像透镜阵列的 尺寸匹配相一致；传感器阵列，所述传感器阵列中的每个传感器与所述成像透镜阵列中的 每个成像透镜对应，所述每个传感器相应地记录与其对应的成像透镜获取的样本图像；以 及控制器，所述控制器与所述相机阵列相连，对所述显微样本在不同视角下的所述样本图 像进行校准同步采集和校准以获取所述显微样本的光场和/或光场视频。
[0009] 根据本发明实施例提出的基于相机阵列的光场显微成像系统，通过相机阵列获取 显微样本在不同视角下的样本图像，从而对显微样本在不同视角下的样本图像进行同步采 集和光学校准以获取显微样本的高分辨率光场和光场视频，通过整合传感器整列记录的数 据，实现高性能显微成像及应用，不但提高了空间分辨率，而且具有更大的灵活性，从而提 高了用户的使用体验。
[0010] 另外，根据本发明上述实施例的基于相机阵列的光场显微成像系统还可以具有如 下附加的技术特征：
[0011] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述相机阵列中的每个相机独立设置。
[0012] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述放大模块为两级中继系统，且所述两级 中继系统包括：第一级中继透镜，所述第一级中继透镜根据所述像平面生成所述光圈平面； 以及第二级中继透镜，所述第二级中继透镜将所述光圈平面放大至覆盖整个所述相机阵列 的大小。
[0013] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二中继透镜的数值孔径大于所述第 一中继透镜的数值孔径。
[0014] 进一步地，在本发明的一个实施例中，通过对准所述相机阵列、所述两级中继系统 和所述相机引出口的光轴，并将所述每个相机的光轴汇聚对准到所述两级中继系统的第二 级中继透镜的中心进行光学校准。
[0015] 进一步地，在本发明的一个实施例中，通过采用主从服务器构架方式对各传感器 之间进行同步采集。
[0016] 本发明另一方面实施例提出了一种基于相机阵列的光场显微成像方法，其中，相 机阵列中的每个相机具有成像透镜和传感器，所述相机阵列包括成像透镜阵列和传感器阵 列，所述方法包括以下步骤：通过显微镜的相机引出口将显微样本放大到像平面；根据所 述像平面生成光圈平面，并且将所述光圈平面的尺寸与所述成像透镜阵列的尺寸匹配相一 致；所述成像透镜阵列通过所述光圈平面获取所述显微样本在不同视角下的样本图像；所 述传感器阵列中每个传感器相应地记录与其对应设置的相机获取的样本图像；以及对所述 显微样本在不同视角下的所述样本图像进行同步采集和光学校准以获取所述显微样本的 光场和/或光场视频。
[0017] 根据本发明实施例提出的基于相机阵列的光场显微成像方法，通过相机阵列获取 显微样本在不同视角下的样本图像，从而对显微样本在不同视角下的样本图像进行同步采 集和光学校准以获取显微样本的高分辨率光场和光场视频，通过整合传感器整列记录的数 据，实现高性能显微成像及应用，不但提高了空间分辨率，而且具有更大的灵活性，从而提 高了用户的使用体验。
[0018] 另外，根据本发明上述实施例的基于相机阵列的光场显微成像方法还可以具有如 下附加的技术特征：
[0019] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述相机阵列中的每个相机独立设置。
[0020] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述像平面生成光圈平面，并且将 所述光圈平面的尺寸与所述成像透镜阵列的尺寸匹配相一致具体包括：根据所述像平面生 成所述光圈平面；以及将所述光圈平面放大至覆盖整个所述成像透镜阵列的大小。
[0021] 进一步地，在本发明的一个实施例中，通过采用主从服务器构架方式对各传感器 之间进行同步。
[0022] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0023]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中：
[0024]图1为根据本发明实施例的基于相机阵列的光场显微成像系统的结构示意图；
[0025]图2为根据本发明一个实施例的基于相机阵列的光场显微成像系统的结构示意 图；
[0026] 图3为根据本发明一个实施例的评估原型系统的分辨率和景深示意图；
[0027] 图4为根据本发明一个实施例的采集玫瑰花瓣表皮细胞的光场及合成重聚焦与 恢复深度示意图；
[0028] 图5为根据本发明一个实施例的应用所采集到的果蝇幼虫的光场视频于三维差 分相衬和相位的重建不意图；
[0029] 图6为根据本发明一个实施例的水中秀丽隐杆线虫的光场和合成重聚焦视频示 意图；
[0030] 图7为根据本发明一个实施例的利用采集到的光场实现微透镜阵列的量化相位 重建示意图；以及
[0031] 图8为根据本发明实施例的基于相机阵列的光场显微成像方法的流程图。
【具体实施方式】
[0032] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0033]此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征