导读
光场显微能够记录光线的空间位置和传播方向，研究人员可以利用这些数据，通过计算重建样品不同深度处的图像。其中，孔径编码光场显微需要连续拍摄多幅编码图像，获取一组光场数据耗时较长，限制了连续记录样品状态的速度。如何在保证重建质量的前提下减2.冗余测量次数，成为提升采集效率的关键。
针对这一问题，暨南大学联合广东技术师范大学研究团队提出非均匀采样方法，在傅里叶面采用“中心密集、外围稀疏”的采样方式，减少所需的编码测量。与实验采用的均匀采样对照相比，测量次数由98次减至45次，采集速率约为原来的2.1倍，并在坚定重聚焦范围内保持了较高的图像保真度。相关成果于2026年10月14日发表于《Optics Letters》。
1.按能量分布调整角度采样
传统光场显微通常利用微透镜阵列，将空间信息和角度信息同时记录在同一传感器上，然而相机像素数量有限，用于区分光线方向的像素越多，能够记录的空间细节就越少，因此空间与角度采样分辨率之间，只能被迫进行取舍。
研究团队从光场在傅里叶面的能量分布特征出发，重新审视了角度采样策略的分配逻辑。在孔径编码光场显微中，不同角度对应的频谱能量并不均匀，中心区域集中了大部分低频能量，而外围高频成分所占比重相对有限。
基于这一观察，团队放弃对角度采样的均匀划分，转而按照能量分布疏密有别的特点，重新布置测量角度：能量较集中的中心区域采用密集采样，外围区域采用稀疏采样，从而保证在重建质量的前提下削减冗余测量。
图1 非均匀采样孔径编码光场显微原理 / 图源：Liu et al., Opt. Lett. 51(20), 5882–5885 (2026), Fig. 1
2.验证较少测量下的重聚焦质量
为系统评估非均匀采样在测量次数大幅压缩后的实际表现，研究团队搭建了孔径编码光场显微实验平台，并选取与均匀采样相同的样品和成像条件进行对照测试。
实验采用2倍、数值孔径0.75的物镜，以西葫芦花粉开展成像验证。对照方案采用8×8均匀采样差分复用编码，共需98次测量。在单幅曝光时间均为1/60秒的条件下，非均匀采样将测量次数减至45次，减少约54.1%，光场数据采集速率提升至约原来的2.1倍，重建图像与均匀采样结果保持了较高的保真度，说明测量次数的压缩并未显著牺牲成像质量。
图2 西葫芦划分的数字重聚焦结果，对比均匀采样与非均匀采样在不同聚焦位置的图像及局部细节 / 图源：Liu et al., Opt. Lett. 51(20), 5882–5885 (2026), Fig. 3
在此基础上，团队进一步考察了大幅度减少测量对重建质量的影响边界。以45次测量的重建图像为参照，27次测量时，SSIM超过0.97，PSNR超过33 dB；14次测量时，在距原始焦平面±22 μm的范围内，SSIM仍超过0.97，PSNR超过31 dB。当重聚焦位置达到±60 μm时，30%采样结果的保真度下降，PSNR低于30 dB。这一取舍关系为实际应用中采样密度的设定提供了参考依据。
图3 不同次采样比例下的冲聚焦结果。100%、60%和30%采样分别对应45次、27次和14次测量 / 图源：Liu et al., Opt. Lett. 51(20), 5882–5885 (2026), Fig. 4
3.缩短采集时间的应用价值
对于需要反复记录样品状态的显微实验，单组数据采集时间越短，就越有利于记录不同时刻的变化，减少连续测量，为提高重复观测频率提供了条件，该优势在活体样品观测中体现得尤为直接。
活体样品自身处于持续运动状态，采集一组光场数据的时间缩短后，同一组测量内样品状态的变化幅度随之减小，重建图像中的运动模糊与相互错位也相应减轻，在对动态过程进行连续记录时，更高的采集速率意味着可以更密集地采样时间点，从而捕捉到均匀采样条件下容易被遗漏的短时变化。
此外，测量次数的减少也减轻荧光样品在重复成像中的光照负担。对于需要反复观察的光敏感样品，有望减少多轮采集中的累计光照，减轻光漂白对持续观测的影响。
从系统层面看，该方法不改变光路结构与编码器件，已有平台无需额外硬件投入即可提高采集效率，这使其在动态样品研究中的推广具有较低的实施门槛。
实验平台 丨 HDSLM80R
本次实验采用UPOLabs HDSLM80R 振幅型液晶空间光调制器，分辨率为1920×1200，像素尺寸为8μm，刷新率为60Hz。
图5 HDSLM80R
图6 实验光路，HDSLM80R位于傅里叶面，承担孔径编码 / 图源：Liu et al., Opt. Lett. 51(20), 5882–5885 (2026), Fig. 2
HDSLM80R布置在傅里叶透镜的后焦面，加载预先设计的8 bit灰度图案，对样品光场的角度信息进行编码，经过编码的光场由成像透镜重新成像，相机依次记录各幅编码图像。借助可编程图案加载，研究团队能够设置不同的采样布局，并在同一光路中开展均匀采样与非均匀采样的对照实验。
图7 HDSLM80R 产品参数
结语
本次研究提出了非均匀采样孔径编码光场显微方法，通过在傅里叶面采用中心密集、外围稀疏的角度采样，将每组光场数据所需的编码测量由98次减至45次，采集速率约为均匀采样对照的2.1倍。
实验结果表明，该方法在有限的轴向重聚焦范围内保持了较高图像保真度，验证了通过优化采样设计提升采集效率的可行性，为提高孔径编码光场显微的时间分辨率提供了新的思路。