今天我要跟大家聊聊一種新穎的三維成像方法，它可以用一個單像素探測器來實現對微觀物體的三維體積成像，而且分辨率非常高，接近衍射極限。這種方法叫做三維光場照明單像素顯微鏡（3D-LFI-SPM），它是由中國科學技術大學的研究人員提出的。

什么是單像素成像

首先，我們要了解什么是單像素成像（SPI）。顧名思義，SPI就是用一個單像素探測器來獲取圖像信息的方法。你可能會問，怎么可能用一個單像素探測器來獲取圖像信息呢？不是應該用一個像素陣列嗎？其實，SPI的原理很簡單，就是利用結構化光照明（SLI）和壓縮感知（CS）的技術。

SLI就是用一系列不同的光模式來照亮被測物體，比如說格子、條紋、點陣等等。每個光模式都對應一個二進制碼，比如說0001、0010、0100等等。當光模式照亮物體后，物體會反射或透射一部分光到探測器上，探測器就會記錄下一個強度值。這樣，我們就得到了一個光模式和強度值的對應關系，比如說0001對應0.5、0010對應0.3、0100對應0.7等等。

這些對應關系其實就是物體圖像的投影信息。如果我們有足夠多的投影信息，我們就可以用CS的方法來重建出物體圖像。CS就是一種數學技術，它可以利用稀疏性的假設來從少量的投影信息中恢復出原始信號。這里的稀疏性就是指物體圖像在某個變換域（比如小波域）中只有少數的非零系數。CS的方法有很多種，比如說正交匹配追蹤（OMP）、基追蹤（BP）、最小二乘法（LS）等等。

什么是三維單像素成像

那么，如果我們想要用SPI來實現三維成像呢？也就是說，我們不僅要獲取物體表面的圖像信息，還要獲取物體內部的結構信息。這就需要我們用一些特殊的方法來提取深度信息。目前，有兩種主流的方法來實現三維單像素成像（3D SPI），它們分別是基于飛行時間（ToF）和基于立體視覺（SV）的方法。

ToF方法就是利用光子飛行時間來測量物體表面距離探測器的距離。具體來說，就是用一個激光脈沖或者調制光源來照亮物體表面，并且記錄下反射回來的光子到達探測器的時間。根據光速和時間差，我們就可以計算出物體表面每個點距離探測器的距離。然后，我們就可以用這些距離信息來重建出物體表面的三維形狀。

ToF方法的優點是可以實現高速的三維成像，因為光子飛行時間很短，而且不受環境光的干擾。但是，ToF方法的缺點是分辨率受到探測器的時間分辨率和光源的脈沖寬度的限制，而且對物體表面的反射性能有要求，如果物體表面太光滑或者太粗糙，就會導致光子散射或者吸收，從而影響深度測量的準確性。

SV方法就是利用兩個或多個不同角度的單像素探測器來獲取物體表面的視差信息。具體來說，就是用相同的光模式來照亮物體表面，并且記錄下每個探測器接收到的強度值。根據兩個或多個探測器之間的位置關系和視差信息，我們就可以計算出物體表面每個點距離參考平面的距離。然后，我們就可以用這些距離信息來重建出物體表面的三維形狀。

SV方法的優點是分辨率不受探測器和光源的限制，而且對物體表面的反射性能沒有要求，可以適用于各種材質和顏色的物體。但是，SV方法的缺點是成像速度受到探測器數量和視角范圍的限制，而且需要對探測器進行精確的校準和對齊，否則會導致視差計算的誤差。

什么是三維光場照明單像素顯微鏡

那么，如果我們想要用SPI來實現對微觀物體（比如細胞、組織、微粒等）的三維成像呢？這就需要我們用一種更先進的方法來提取深度信息。這種方法就是三維光場照明單像素顯微鏡（3D-LFI-SPM）。

3D-LFI-SPM方法的原理是利用三維光場（3D LF）來照亮微觀物體，并且記錄下單像素探測器接收到的強度值。3D LF就是指空間中每個點處每個方向上發出或接收到的光線集合。3D LF可以用一些特殊的光學元件來產生或者采集，比如說透鏡陣列、微透鏡陣列、數字全息、相位調制等等。3D LF可以攜帶物體內部和表面的結構信息，并且可以通過一些數學變換來實現對物體不同層次和不同角度的成像。

研究人員提出了一種基于數字全息和相位調制的3D LF產生和采集系統。他們用一個液晶空間光調制器（SLM）來產生不同相位分布的平面波，并且用一個數字全息儀（DHM）來采集反射或透射回來的3D LF。他們設計了一種基于正交頻分復用（OFDM）和正交匹配追蹤（OMP）的算法來從單像素探測器接收到的強度值中重建出物體的三維體積圖像。他們的方法可以實現對微觀物體的高分辨率、高信噪比、高速度的三維成像，而且不需要對物體進行掃描或者旋轉，也不需要對探測器進行校準或者對齊。

研究人員用他們的方法對一些典型的微觀物體進行了三維成像實驗。他們分別對一根頭發、一片葉子、一顆珍珠、一顆鉆石和一個人造眼睛進行了三維成像，并且展示了不同層次和不同角度的二維切片圖像。他們的實驗結果表明，他們的方法可以實現對微觀物體的高質量的三維成像，而且可以清晰地顯示出物體內部和表面的結構細節。他們的方法的分辨率可以達到0.8微米，而且可以在1秒內完成一次三維成像。