[发明专利]光场成像系统的校准

说明书

校准光场成像系统的方法、执行校准方法的光场成像系统、用于校准方法的校准对象、以及利用经校准的光场成像系统将光场图像投影到物体空间中的方法。示例性校准方法利用包括微透镜阵列和图像传感器的光场成像系统来执行。当校准对象在载台上并且位于多个不同的z位置处时，可以使用图像传感器捕获校准对象的光场图像的z堆叠。可以根据z堆叠的每个光场图像确定成像系统的总放大率和微透镜阵列的微透镜放大率。

相关申请

本申请要求2019年2月1日提交的美国申请no.16/265,220的优先权，该美国申请的内容通过引用整体并入本文。

背景技术

与常规显微镜相比，光场显微镜在一个光场图像中从不同角度记录同一物体的多个视图。这些记录的视图允许重建物体的不同部分的深度信息。深度信息使得能够实现各种应用，诸如所计算的二维投影的数字重新聚焦或物体的三维重建，这两种应用都不可能用常规显微镜实现。然而，与常规显微镜图像相比，利用光场显微镜执行的这种投影和重建通常伴随较低空间分辨率的折衷。

通过用相机阵列代替常规图像传感器或者通过在图像传感器前面插入微透镜阵列，可以将常规的显微镜转换成光场显微镜。由于微透镜阵列的成本较低并且能够容易地对现有的常规显微镜进行改装，因此使用微透镜阵列通常是优选的选择。根据微透镜阵列相对于显微镜的物镜和图像传感器的位置，可以限定具有不同特性的两种配置。在第一种配置(被称为“LF1.0”)中，微透镜阵列位于物镜和图像传感器之间的中间像平面中，并且图像传感器位于微透镜阵列的后焦平面中。在第二种配置(被称为“LF2.0”)中，这些限制被去除，并且微透镜阵列可以具有在物镜和图像传感器之间的任意位置。因此，在LF2.0中，可以选择微透镜阵列的位置以优化光场显微镜的期望性能标准(例如，横向和轴向分辨率以及焦深)。

为了能够根据光场显微镜图像执行三维物体空间(x，y，z)的定量重建，需要知道光场图像的每个微透镜子图像(x″_k，y″_k)的物体空间和二维光场空间之间的关系。映射函数被定义为映射函数原则上可以基于实验装置的几何参数值，诸如相关光学元件的基面到图像传感器的相对距离来计算。在实践中，这些基面的精确位置是未知的，并且光场显微镜内部的相对距离不能容易地确定成所需的精确度。对于LF2.0配置来说，缺少精确的几何信息更成问题，在LF2.0配置中不存在用于在光场显微镜内部定位微透镜阵列的明确定义的光学标准(诸如物镜的中间像面和微透镜阵列的焦平面)。另外，实际透镜系统的光学效应(例如，由微透镜阵列的透镜或光场显微镜的其它光学元件引起的像差或误差)可能导致实际光学几何结构与外部测量的假设光学几何结构相比的偏差。除了根据外部测量确定相关几何结构的这些固有困难之外，用户引起的几何结构的变化(例如，由于显微镜的重新聚焦或无意的未对准)可能也会经常发生。假设几何结构相对于实际几何结构的所有偏差都会导致投影和重建错误，从而导致不正确的深度信息、对比度损失或重建完全失败。

需要用于校准光场显微镜或相机的系统、方法和装置，以能够在光场空间和物体空间之间进行映射。

发明内容

本公开提供了校准光场成像系统的方法、执行校准方法的光场成像系统、用于校准方法的校准对象、以及使用经校准的光场成像系统将物体的光场图像投影到物体空间中的方法。使用包括微透镜阵列和图像传感器的光场成像系统来执行示例性校准方法。当校准对象位于多个不同的z位置处时，可以使用图像传感器来捕获校准对象的光场图像的z堆叠。可以根据z堆叠的每个光场图像来确定成像系统的总放大率和微透镜阵列的微透镜放大率。

附图说明

图1是包括光场显微镜的示例性光场成像系统的示意图，在校准光场显微镜时，光场显微镜支撑示例性校准对象。

图2是用图1的光场显微镜的所选组件产生的光线图，并且示出了示例性光线从位于物体空间的平面中的点物体到二维光场空间中的传感器平面的传播。

图3是用于图2的光场显微镜的示例性微透镜阵列大致沿图2的线3-3截取的正视图。