把光玩到了极致：用单像素探测器实现三维体积成像

今天我要跟大家聊聊一种新颖的三维成像方法，它可以用一个单像素探测器来实现对微观物体的三维体积成像，而且分辨率非常高，接近衍射极限。这种方法叫做三维光场照明单像素显微镜（3D-LFI-SPM），它是由中国科学技术大学的研究人员提出的。

什么是单像素成像

首先，我们要了解什么是单像素成像（SPI）。顾名思义，SPI就是用一个单像素探测器来获取图像信息的方法。你可能会问，怎么可能用一个单像素探测器来获取图像信息呢？不是应该用一个像素阵列吗？其实，SPI的原理很简单，就是利用结构化光照明（SLI）和压缩感知（CS）的技术。

SLI就是用一系列不同的光模式来照亮被测物体，比如说格子、条纹、点阵等等。每个光模式都对应一个二进制码，比如说0001、0010、0100等等。当光模式照亮物体后，物体会反射或透射一部分光到探测器上，探测器就会记录下一个强度值。这样，我们就得到了一个光模式和强度值的对应关系，比如说0001对应0.5、0010对应0.3、0100对应0.7等等。

这些对应关系其实就是物体图像的投影信息。如果我们有足够多的投影信息，我们就可以用CS的方法来重建出物体图像。CS就是一种数学技术，它可以利用稀疏性的假设来从少量的投影信息中恢复出原始信号。这里的稀疏性就是指物体图像在某个变换域（比如小波域）中只有少数的非零系数。CS的方法有很多种，比如说正交匹配追踪（OMP）、基追踪（BP）、最小二乘法（LS）等等。

什么是三维单像素成像

那么，如果我们想要用SPI来实现三维成像呢？也就是说，我们不仅要获取物体表面的图像信息，还要获取物体内部的结构信息。这就需要我们用一些特殊的方法来提取深度信息。目前，有两种主流的方法来实现三维单像素成像（3D SPI），它们分别是基于飞行时间（ToF）和基于立体视觉（SV）的方法。

ToF方法就是利用光子飞行时间来测量物体表面距离探测器的距离。具体来说，就是用一个激光脉冲或者调制光源来照亮物体表面，并且记录下反射回来的光子到达探测器的时间。根据光速和时间差，我们就可以计算出物体表面每个点距离探测器的距离。然后，我们就可以用这些距离信息来重建出物体表面的三维形状。

ToF方法的优点是可以实现高速的三维成像，因为光子飞行时间很短，而且不受环境光的干扰。但是，ToF方法的缺点是分辨率受到探测器的时间分辨率和光源的脉冲宽度的限制，而且对物体表面的反射性能有要求，如果物体表面太光滑或者太粗糙，就会导致光子散射或者吸收，从而影响深度测量的准确性。

SV方法就是利用两个或多个不同角度的单像素探测器来获取物体表面的视差信息。具体来说，就是用相同的光模式来照亮物体表面，并且记录下每个探测器接收到的强度值。根据两个或多个探测器之间的位置关系和视差信息，我们就可以计算出物体表面每个点距离参考平面的距离。然后，我们就可以用这些距离信息来重建出物体表面的三维形状。

SV方法的优点是分辨率不受探测器和光源的限制，而且对物体表面的反射性能没有要求，可以适用于各种材质和颜色的物体。但是，SV方法的缺点是成像速度受到探测器数量和视角范围的限制，而且需要对探测器进行精确的校准和对齐，否则会导致视差计算的误差。

什么是三维光场照明单像素显微镜

那么，如果我们想要用SPI来实现对微观物体（比如细胞、组织、微粒等）的三维成像呢？这就需要我们用一种更先进的方法来提取深度信息。这种方法就是三维光场照明单像素显微镜（3D-LFI-SPM）。

3D-LFI-SPM方法的原理是利用三维光场（3D LF）来照亮微观物体，并且记录下单像素探测器接收到的强度值。3D LF就是指空间中每个点处每个方向上发出或接收到的光线集合。3D LF可以用一些特殊的光学元件来产生或者采集，比如说透镜阵列、微透镜阵列、数字全息、相位调制等等。3D LF可以携带物体内部和表面的结构信息，并且可以通过一些数学变换来实现对物体不同层次和不同角度的成像。

研究人员提出了一种基于数字全息和相位调制的3D LF产生和采集系统。他们用一个液晶空间光调制器（SLM）来产生不同相位分布的平面波，并且用一个数字全息仪（DHM）来采集反射或透射回来的3D LF。他们设计了一种基于正交频分复用（OFDM）和正交匹配追踪（OMP）的算法来从单像素探测器接收到的强度值中重建出物体的三维体积图像。他们的方法可以实现对微观物体的高分辨率、高信噪比、高速度的三维成像，而且不需要对物体进行扫描或者旋转，也不需要对探测器进行校准或者对齐。

研究人员用他们的方法对一些典型的微观物体进行了三维成像实验。他们分别对一根头发、一片叶子、一颗珍珠、一颗钻石和一个人造眼睛进行了三维成像，并且展示了不同层次和不同角度的二维切片图像。他们的实验结果表明，他们的方法可以实现对微观物体的高质量的三维成像，而且可以清晰地显示出物体内部和表面的结构细节。他们的方法的分辨率可以达到0.8微米，而且可以在1秒内完成一次三维成像。