單像素探測器有獨特性能。像素陣列探測器如CCD和CMOS相機，因為(wei) 其性價(jia) 比高，以及在特定的光譜範圍內(nei) 具有良好的性能，被廣泛用於(yu) 傳(chuan) 統成像方案。與(yu) 像素陣列探測器相比，單像素探測器具有更低的暗噪聲、更高的靈敏度、更快的響應速度和更低廉的價(jia) 格。此外，它們(men) 在幾乎整個(ge) 頻譜範圍內(nei) 都表現出很好的性能。
2021 Nature Communications:高通量單像素壓縮全息用於(yu) 生物組織成像
技術背景：
（1）單像素探測器有獨特性能。像素陣列探測器如ccd和cmos相機，因為(wei) 其性價(jia) 比高，以及在特定的光譜範圍內(nei) 具有良好的性能，被廣泛用於(yu) 傳(chuan) 統成像方案。與(yu) 像素陣列探測器相比，單像素探測器具有更低的暗噪聲、更高的靈敏度、更快的響應速度和更低廉的價(jia) 格。此外，它們(men) 在幾乎整個(ge) 頻譜範圍內(nei) 都表現出出色的性能。
（2）單像素成像 (single-pixel imaging, SPI) 是一種新興(xing) 的計算成像方法。它在接收端采用單像素探測器，對於(yu) 某些波長情況下像素陣列探測器不可用或價(jia) 格昂貴時，單像素探測器提供了可行的解決(jue) 方案。借助這一特性，SPI 在紅外、太赫茲(zi) 甚至光聲成像上取得了巨大成功。SPI 不是通過並行檢測獲取空間信息，而是依賴於(yu) 使用空間光調製器 (SLM) 來顯示一係列有序圖案（patterns），然後從(cong) 一係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，重建圖像中的有效像素數等於(yu) 顯示的有序圖案數（圖案數對應測量數）。自 1884 年 Nipkow 等人首次演示飛點相機（flying-spot camera）以來，SPI被證明在通過散射介質成像或在稀疏照明壓縮感知成像時具有優(you) 勢。通過采用各種編碼機製，包括 Hadamard基, 傅裏葉基和隨機模式 ，SPI 得以拓展到全彩成像、多光譜成像 、時間分辨成像（time-resolved imaging）和三維成像等国产成人在线观看免费网站。
（3）獲得生物學樣品的振幅和相位信息很重要。從(cong) 光學成像的角度來看，同時具有振幅和相位信息的複值生物樣本的成功建模在生物光子學中具有重要意義(yi) 。例如，許多薄的生物組織在與(yu) 光相互作用時表現出低散射和低吸收，導致在無染色情況下使用傳(chuan) 統顯微鏡直接成像時對比度低。即使對於(yu) 振幅圖像可以提供足夠對比度的較厚組織，其相應的相位圖像也始終是一個(ge) 很好的補充。由於(yu) 衍射光的快速振蕩使得現代光學探測器無法直接測量其相位信息，因此強烈希望開發一種有效的成像模式，該模式可以提供複值圖像來研究無數生物組織的微觀結構。這種能力還可以使得自適應光學、表麵輪廓、波前傳(chuan) 感、光學計量和超快光學中的各種国产成人在线观看免费网站受益。
（4）SPI與(yu) 全息結合產(chan) 生單像素全息（SPH）可獲得振幅和相位信息。 為(wei) 了將衍射光的快速振蕩抑製到現代探測器可以達到的範圍，采用額外參考光束的全息方法成為(wei) 複原光場信息的有效和直觀的方法之一。因此，當與(yu) 這種方法結合時，SPI 可以進一步推廣以從(cong) 樣本中提取複值信息，命名為(wei) 單像素全息 (SPH)。早在 2013 年，克萊門特等人使用基於(yu) 液晶的 SLM 和桶單像素（bucket single pixel）來成像相位物體(ti) 。後來，數字微鏡器件（DMD）被用作提高照明速度的主要器件。使用 DMD，在緊湊的 SPH 係統中同時實現了快速熒光成像和相位成像。人們(men) 還探索了一些改進以提高 SPH 的性能，包括為(wei) 壓縮感知選擇各種照明模式的適當順序以及開發同軸幹涉測量以提高魯棒性。
當前不足：
（1）當前實現全息固有的相位步進（phase stepping）方法導致成像速度慢，從(cong) 而通量低。
（2）Lee全息圖和超像素法都是以獨立像素為(wei) 代價(jia) 實現的，因此減少了重建圖像中有效像素的數量。
（3）幾乎沒有報道將 SPI/SPH 国产成人在线观看免费网站於(yu) 生物組織中的微觀結構成像，這主要是由於(yu) 成像係統的性能有限和生物樣品的散射對比度相對較低。
文章創新點：
基於(yu) 此，中山大學的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。
（1）引入外差全息實現相位步進（phase stepping），增大每秒可采集的信息量。具體(ti) 為(wei) 在樣品臂和參考臂使用具有輕微不同調製頻率的聲光可調諧器。
（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圖案用於(yu) 全息重建，不再需要以犧牲像素數的方法來在DMD上生成相位模式。因此，通過將所需的振幅模式直接投影到樣本，可以實現 41,667 像素 / s 的 SBP-T，大約是文獻中報道的z大 SBP-T 的 3 倍。重建圖像的像素數可達256*256=65536，是新報道的SPH的4倍。可以在大 FOV 模式（14.9 mm × 11.1 mm）下進行宏觀觀測或切換到高分辨率模式（5.80 μm × 4.31 μm）實現微觀觀測。
（3）開發 SPH 對來自小鼠尾巴和大腦的生物組織進行成像，在幅度和相位方麵揭示豐(feng) 富的信息，從(cong) 而彌合了這一差距。對應圖形的FOV和橫向分辨率分別為(wei) 1.51 mm × 1.11 mm和5.80 μm × 4.31 μm。
原理解析：
（1）樣品由複函數描述，這個(ge) 複函數可以分解為(wei) 一組隻包含“+1”和“-1”的正交Hadamard基。
（2）利用Hadamard基的正交性，每個(ge) 基的複數係數可以用此基投射到樣品麵上時透射場的空間和求得。
（3）使用DMD產(chan) 生類似Hadamard基的圖案，但是它的值隻有“+1”和“0”。
（4）Hadamard基可由DMD產(chan) 生的圖案通過數學運算獲得。
（5）由（4）可知，Hadamard基複數係數隻用DMD也可以獲得。
（6）使用外差全息法求出步驟（5）Hadamard基複數係數。
（7）壓縮感知體(ti) 現。使用較低的采樣率依然可以獲得較好的重建圖像。此處采樣率定義(yi) 為(wei) 用於(yu) 重建的測量數與(yu) 重建圖像的像素數之比。通過選擇合適的采樣率，可以在不犧牲太多的圖像質量的前提下大大降低采集的時間。
參考文獻：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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