單像素探測器有獨特性能美尸。像素陣列探測器如CCD和CMOS相機(jī)，因為其性價比高斟薇，以及在特定的光譜范圍內(nèi)具有良好的性能师坎，被廣泛用于傳統(tǒng)成像方案。與像素陣列探測器相比胯陋，單像素探測器具有更低的暗噪聲、更高的靈敏度、更快的響應(yīng)速度和更低廉的價格遏乔。此外义矛，它們在幾乎整個頻譜范圍內(nèi)都表現(xiàn)出很好的性能。
2021 Nature Communications:高通量單像素壓縮全息用于生物組織成像
技術(shù)背景：
（1）單像素探測器有獨特性能盟萨。像素陣列探測器如ccd和cmos相機(jī)，因為其性價比高鸯旁，以及在特定的光譜范圍內(nèi)具有良好的性能噪矛，被廣泛用于傳統(tǒng)成像方案。與像素陣列探測器相比铺罢，單像素探測器具有更低的暗噪聲艇挨、更高的靈敏度、更快的響應(yīng)速度和更低廉的價格韭赘。此外缩滨，它們在幾乎整個頻譜范圍內(nèi)都表現(xiàn)出出色的性能。
（2）單像素成像 (single-pixel imaging, SPI) 是一種新興的計算成像方法泉瞻。它在接收端采用單像素探測器脉漏，對于某些波長情況下像素陣列探測器不可用或價格昂貴時袖牙，單像素探測器提供了可行的解決方案侧巨。借助這一特性，SPI 在紅外鞭达、太赫茲甚至光聲成像上取得了巨大成功司忱。SPI 不是通過并行檢測獲取空間信息畴蹭，而是依賴于使用空間光調(diào)制器 (SLM) 來顯示一系列有序圖案（patterns）坦仍，然后從一系列測量中通過計算重建空間信息。在沒有壓縮感知的情況下叨襟，重建圖像中的有效像素數(shù)等于顯示的有序圖案數(shù)（圖案數(shù)對應(yīng)測量數(shù)）繁扎。自 1884 年 Nipkow 等人首次演示飛點相機(jī)（flying-spot camera）以來，SPI被證明在通過散射介質(zhì)成像或在稀疏照明壓縮感知成像時具有優(yōu)勢梳玫。通過采用各種編碼機(jī)制，包括 Hadamard基, 傅里葉基和隨機(jī)模式 右犹，SPI 得以拓展到全彩成像汽纠、多光譜成像 、時間分辨成像（time-resolved imaging）和三維成像等應(yīng)用傀履。
（3）獲得生物學(xué)樣品的振幅和相位信息很重要虱朵。從光學(xué)成像的角度來看莉炉，同時具有振幅和相位信息的復(fù)值生物樣本的成功建模在生物光子學(xué)中具有重要意義。例如碴犬，許多薄的生物組織在與光相互作用時表現(xiàn)出低散射和低吸收絮宁，導(dǎo)致在無染色情況下使用傳統(tǒng)顯微鏡直接成像時對比度低。即使對于振幅圖像可以提供足夠?qū)Ρ榷鹊妮^厚組織绍昂，其相應(yīng)的相位圖像也始終是一個很好的補(bǔ)充。由于衍射光的快速振蕩使得現(xiàn)代光學(xué)探測器無法直接測量其相位信息偿荷，因此強(qiáng)烈希望開發(fā)一種有效的成像模式窘游，該模式可以提供復(fù)值圖像來研究無數(shù)生物組織的微觀結(jié)構(gòu)。這種能力還可以使得自適應(yīng)光學(xué)跳纳、表面輪廓忍饰、波前傳感、光學(xué)計量和超快光學(xué)中的各種應(yīng)用受益寺庄。
（4）SPI與全息結(jié)合產(chǎn)生單像素全息（SPH）可獲得振幅和相位信息艾蓝。 為了將衍射光的快速振蕩抑制到現(xiàn)代探測器可以達(dá)到的范圍，采用額外參考光束的全息方法成為復(fù)原光場信息的有效和直觀的方法之一斗塘。因此，當(dāng)與這種方法結(jié)合時馍盟，SPI 可以進(jìn)一步推廣以從樣本中提取復(fù)值信息于置，命名為單像素全息 (SPH)。早在 2013 年贞岭，克萊門特等人使用基于液晶的 SLM 和桶單像素（bucket single pixel）來成像相位物體俱两。后來，數(shù)字微鏡器件（DMD）被用作提高照明速度的主要器件曹步。使用 DMD，在緊湊的 SPH 系統(tǒng)中同時實現(xiàn)了快速熒光成像和相位成像休讳。人們還探索了一些改進(jìn)以提高 SPH 的性能讲婚，包括為壓縮感知選擇各種照明模式的適當(dāng)順序以及開發(fā)同軸干涉測量以提高魯棒性。
當(dāng)前不足：
（1）當(dāng)前實現(xiàn)全息固有的相位步進(jìn)（phase stepping）方法導(dǎo)致成像速度慢俊柔，從而通量低。
（2）Lee全息圖和超像素法都是以獨立像素為代價實現(xiàn)的雏婶，因此減少了重建圖像中有效像素的數(shù)量物赶。
（3）幾乎沒有報道將 SPI/SPH 應(yīng)用于生物組織中的微觀結(jié)構(gòu)成像，這主要是由于成像系統(tǒng)的性能有限和生物樣品的散射對比度相對較低留晚。
文章創(chuàng)新點：
基于此酵紫，中山大學(xué)的Daixuan Wu(第1作者)和Zhaohui Li(通訊作者)等人提出了一種高通量的單像素壓縮全息技術(shù)。
（1）引入外差全息實現(xiàn)相位步進(jìn)（phase stepping），增大每秒可采集的信息量奖地。具體為在樣品臂和參考臂使用具有輕微不同調(diào)制頻率的聲光可調(diào)諧器橄唬。
（2）通過理論和實驗證明可以使用非正交的二值幅度(binary-amplitude)Hadamard圖案用于全息重建，不再需要以犧牲像素數(shù)的方法來在DMD上生成相位模式参歹。因此，通過將所需的振幅模式直接投影到樣本犬庇，可以實現(xiàn) 41,667 像素 / s 的 SBP-T僧界，大約是文獻(xiàn)中報道的z大 SBP-T 的 3 倍。重建圖像的像素數(shù)可達(dá)256*256=65536臭挽，是新報道的SPH的4倍捂襟。可以在大 FOV 模式（14.9 mm × 11.1 mm）下進(jìn)行宏觀觀測或切換到高分辨率模式（5.80 μm × 4.31 μm）實現(xiàn)微觀觀測埋哟。
（3）開發(fā) SPH 對來自小鼠尾巴和大腦的生物組織進(jìn)行成像笆豁，在幅度和相位方面揭示豐富的信息，從而彌合了這一差距赤赊。對應(yīng)圖形的FOV和橫向分辨率分別為1.51 mm × 1.11 mm和5.80 μm × 4.31 μm闯狱。
原理解析：
（1）樣品由復(fù)函數(shù)描述，這個復(fù)函數(shù)可以分解為一組只包含“+1”和“-1”的正交Hadamard基哄孤。
（2）利用Hadamard基的正交性，每個基的復(fù)數(shù)系數(shù)可以用此基投射到樣品面上時透射場的空間和求得吹截。
（3）使用DMD產(chǎn)生類似Hadamard基的圖案瘦陈，但是它的值只有“+1”和“0”。
（4）Hadamard基可由DMD產(chǎn)生的圖案通過數(shù)學(xué)運算獲得波俄。
（5）由（4）可知晨逝，Hadamard基復(fù)數(shù)系數(shù)只用DMD也可以獲得。
（6）使用外差全息法求出步驟（5）Hadamard基復(fù)數(shù)系數(shù)懦铺。
（7）壓縮感知體現(xiàn)捉貌。使用較低的采樣率依然可以獲得較好的重建圖像冬念。此處采樣率定義為用于重建的測量數(shù)與重建圖像的像素數(shù)之比趁窃。通過選擇合適的采樣率，可以在不犧牲太多的圖像質(zhì)量的前提下大大降低采集的時間急前。
參考文獻(xiàn)：Wu, D., Luo, J., Huang, G. et al. Imaging biological tissue with high-throughput single-pixel compressive holography. Nat Commun 12, 4712 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24990-0
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24990-0
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