我校電子與信息工程學院、光電材料與技術國家重點實驗室李朝暉、沈樂成團隊提出了一種高通量單像素全息系統(tǒng)。該系統(tǒng)推翻了過去傳統(tǒng)單像素成像在生物成像應用上的限制，不僅能實現(xiàn)大視場、高精度的高通量單像素全息，并且成功在生物切片微觀全息上得到應用。2021年8月5日，該工作以“Imaging biological tissue with high-throughput single-pixel compressive holography”為題的長篇論文發(fā)表在Nature Communications。
單像素成像憑借僅僅單個像素對待測物品的空間信息進行還原。尤其在一些CCD、CMOS相機所無法達到或者需較為昂貴的價格才能達到的波長探測范圍內(nèi)，單像素光探測器依舊有著低暗電流噪聲，高靈敏度，寬探測帶寬以及價格低廉的特點，使得單像素成像作為一種計算成像技術逐漸受到人們的關注。而近年來，隨著計算能力的飛速提高，單像素成像不再局限于待測樣品透射率、反射率等簡單空間信息的獲取，更多光學成像性質(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，單像素復振幅全息也開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)來對相位樣品進行復振幅成像。后來，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，若要通過強度調(diào)制來實現(xiàn)逐步相移的相位差相干探測，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來實現(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較低的散射對比度極大地阻礙了單像素全息成像在生物組織微觀成像應用的開展。
針對上述難題，我校光電材料與技術國家重點實驗室李朝暉教授與沈樂成副教授設計了一種高通量單像素全息系統(tǒng)。通過擯棄繁瑣的主動逐步相移，在信號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現(xiàn)快速相移。此外，光場編碼也不再使用諸如Lee全息或者超像素等方法來生成相位圖案，而是直接采用非正交二進制哈達瑪矩陣來進行結構光調(diào)制。通過上述創(chuàng)新，所研發(fā)的高通量單像素全息系統(tǒng)可以實現(xiàn)41,667 pixel/s的空間帶寬積，重建圖像像素可達256 × 256 = 65,536。該系統(tǒng)目前能夠在大視場模式（14.9 mm × 11.1 mm）以及高分辨率模式（5.80 μm × 4.31 μm）下進行轉(zhuǎn)換，以滿足不同需求下的復振幅成像以及壓縮傳感應用。
單像素復振幅成像，待測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)在對應位置的復振幅成像。
壓縮傳感下的單像素復振幅成像，待測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%）下的復振幅成像。
研究人員成功對小鼠尾巴和大腦組織切片進行了復振幅成像以及相應的壓縮傳感應用，從幅度到相位全方面揭示了生物組織所蘊含的豐富信息。該工作展示了單像素復振幅全息系統(tǒng)對生物組織切片進行成像時的優(yōu)越性能，無論是從視場范圍、分辨率、成像有效像素還是空間帶寬積，都展示出較好的應用前景，拓寬了單像素全息成像在各種生物復雜組織成像及多光譜成像中的應用前景。
論文第一作者為我校電子與信息工程學院博士研究生伍代軒，通訊作者為我校電子與信息工程學院李朝暉教授與沈樂成副教授。本研究工作得到國家自然科學基金項目（12004446, U2001601）的資助。
