我校電子與信息工程學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李朝暉、沈樂(lè)成團(tuán)隊(duì)提出了一種高通量單像素全息系統(tǒng)。該系統(tǒng)推翻了過(guò)去傳統(tǒng)單像素成像在生物成像應(yīng)用上的限制，不僅能實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高精度的高通量單像素全息，并且成功在生物切片微觀(guān)全息上得到應(yīng)用。2021年8月5日，該工作以“Imaging biological tissue with high-throughput single-pixel compressive holography”為題的長(zhǎng)篇論文發(fā)表在Nature Communications。
單像素成像憑借僅僅單個(gè)像素對(duì)待測(cè)物品的空間信息進(jìn)行還原。尤其在一些CCD、CMOS相機(jī)所無(wú)法達(dá)到或者需較為昂貴的價(jià)格才能達(dá)到的波長(zhǎng)探測(cè)范圍內(nèi)，單像素光探測(cè)器依舊有著低暗電流噪聲，高靈敏度，寬探測(cè)帶寬以及價(jià)格低廉的特點(diǎn)，使得單像素成像作為一種計(jì)算成像技術(shù)逐漸受到人們的關(guān)注。而近年來(lái)，隨著計(jì)算能力的飛速提高，單像素成像不再局限于待測(cè)樣品透射率、反射率等簡(jiǎn)單空間信息的獲取，更多光學(xué)成像性質(zhì)諸如折射率、厚度、偏光性成像的多維信息獲取也尤為重要。因此，單像素復(fù)振幅全息也開(kāi)始逐漸步入了科研人員的視野之中。
早在2013年就已經(jīng)出現(xiàn)了基于液晶電光調(diào)制的空間光調(diào)制器的單像素全息成像系統(tǒng)來(lái)對(duì)相位樣品進(jìn)行復(fù)振幅成像。后來(lái)，數(shù)字微鏡器件更是被用作提高調(diào)制速度的主要器件。然而，若要通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)逐步相移的相位差相干探測(cè)，則需要使用Lee全息或者超像素等方法犧牲像素和速度作為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)相移，大大降低了單像素全息系統(tǒng)獲取的空間信息通量。成像系統(tǒng)的有限性能和生物樣品的相對(duì)較低的散射對(duì)比度極大地阻礙了單像素全息成像在生物組織微觀(guān)成像應(yīng)用的開(kāi)展。
針對(duì)上述難題，我校光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李朝暉教授與沈樂(lè)成副教授設(shè)計(jì)了一種高通量單像素全息系統(tǒng)。通過(guò)擯棄繁瑣的主動(dòng)逐步相移，在信號(hào)光束和參考光束之間巧妙引入聲光調(diào)制器，利用外差全息的思想實(shí)現(xiàn)快速相移。此外，光場(chǎng)編碼也不再使用諸如Lee全息或者超像素等方法來(lái)生成相位圖案，而是直接采用非正交二進(jìn)制哈達(dá)瑪矩陣來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)光調(diào)制。通過(guò)上述創(chuàng)新，所研發(fā)的高通量單像素全息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)41,667 pixel/s的空間帶寬積，重建圖像像素可達(dá)256 × 256 = 65,536。該系統(tǒng)目前能夠在大視場(chǎng)模式（14.9 mm × 11.1 mm）以及高分辨率模式（5.80 μm × 4.31 μm）下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿(mǎn)足不同需求下的復(fù)振幅成像以及壓縮傳感應(yīng)用。
單像素復(fù)振幅成像，待測(cè)樣品為未染色鼠腦組織切片（a）相位分辨率靶成像，用于理論精度驗(yàn)證；（b）顯微鏡下的染色鼠尾組織成像；（c）-（e）單像素全息系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)位置的復(fù)振幅成像。
壓縮傳感下的單像素復(fù)振幅成像，待測(cè)樣品為未染色鼠腦組織切片（a）-（b）在不同采樣率（50%、25%、12.5%、6.25%、3.125%）下的復(fù)振幅成像。
研究人員成功對(duì)小鼠尾巴和大腦組織切片進(jìn)行了復(fù)振幅成像以及相應(yīng)的壓縮傳感應(yīng)用，從幅度到相位全方面揭示了生物組織所蘊(yùn)含的豐富信息。該工作展示了單像素復(fù)振幅全息系統(tǒng)對(duì)生物組織切片進(jìn)行成像時(shí)的優(yōu)越性能，無(wú)論是從視場(chǎng)范圍、分辨率、成像有效像素還是空間帶寬積，都展示出較好的應(yīng)用前景，拓寬了單像素全息成像在各種生物復(fù)雜組織成像及多光譜成像中的應(yīng)用前景。
論文第一作者為我校電子與信息工程學(xué)院博士研究生伍代軒，通訊作者為我校電子與信息工程學(xué)院李朝暉教授與沈樂(lè)成副教授。本研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（12004446, U2001601）的資助。
