研究人员首次将单像素复振幅全息应用于生物组织微观成像

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研究人员首次将单像素复振幅全息应用于生物组织微观成像
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来源：中山大学 2021-09-21 14:08. y9 p: @  e+ l& C; ^8 W
近日，中山大学电子与信息工程学院、光电材料与技术国家重点实验室李朝晖、沈乐成团队提出了一种高通量单像素全息系统。该系统推翻了过去传统单像素成像在生物成像应用上的限制，不仅能实现大视场、高精度的高通量单像素全息，并且成功在生物切片微观全息上得到应用。该工作以“Imaging biological tissue with high-throughput sin/ D) j; J1 k$ Z; v$ {

  S- `' N" ?4 U: ^6 E近日，中山大学电子与信息工程学院、光电材料与技术国家重点实验室李朝晖、沈乐成团队提出了一种高通量单像素全息系统。该系统推翻了过去传统单像素成像在生物成像应用上的限制，不仅能实现大视场、高精度的高通量单像素全息，并且成功在生物切片微观全息上得到应用。该工作以“Imaging biological tissue with high-throughput single-pixel compressive holography”为题的长篇论文发表在Nature Communications。
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单像素成像凭借仅仅单个像素对待测物品的空间信息进行还原。尤其在一些CCD、CMOS相机所无法达到或者需较为昂贵的价格才能达到的波长探测范围内，单像素光探测器依旧有着低暗电流噪声，高灵敏度，宽探测带宽以及价格低廉的特点，使得单像素成像作为一种计算成像技术逐渐受到人们的关注。而近年来，随着计算能力的飞速提高，单像素成像不再局限于待测样品透射率、反射率等简单空间信息的获取，更多光学成像性质诸如折射率、厚度、偏光性成像的多维信息获取也尤为重要。因此，单像素复振幅全息也开始逐渐步入了科研人员的视野之中。1 v* I& \1 m6 T7 w5 c

2 w) I$ H8 ~' u* l* l! {早在2013年就已经出现了基于液晶电光调制的空间光调制器的单像素全息成像系统来对相位样品进行复振幅成像。后来，数字微镜器件更是被用作提高调制速度的主要器件。然而，若要通过强度调制来实现逐步相移的相位差相干探测，则需要使用Lee全息或者超像素等方法牺牲像素和速度作为代价来实现相移，大大降低了单像素全息系统获取的空间信息通量。成像系统的有限性能和生物样品的相对较低的散射对比度极大地阻碍了单像素全息成像在生物组织微观成像应用的开展。
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针对上述难题，我校光电材料与技术国家重点实验室李朝晖教授与沈乐成副教授设计了一种高通量单像素全息系统。通过摈弃繁琐的主动逐步相移，在信号光束和参考光束之间巧妙引入声光调制器，利用外差全息的思想实现快速相移。此外，光场编码也不再使用诸如Lee全息或者超像素等方法来生成相位图案，而是直接采用非正交二进制哈达玛矩阵来进行结构光调制。通过上述创新，所研发的高通量单像素全息系统可以实现41，667 pixel/s的空间带宽积，重建图像像素可达256 × 256 = 65，536。该系统目前能够在大视场模式（14.9 mm × 11.1 mm）以及高分辨率模式（5.80 μm × 4.31 μm）下进行转换，以满足不同需求下的复振幅成像以及压缩传感应用。7 d$ Q4 @  o# d

0 m% ^- a. U7 u0 \$ z0 ^研究人员成功对小鼠尾巴和大脑组织切片进行了复振幅成像以及相应的压缩传感应用，从幅度到相位全方面揭示了生物组织所蕴含的丰富信息。该工作展示了单像素复振幅全息系统对生物组织切片进行成像时的优越性能，无论是从视场范围、分辨率、成像有效像素还是空间带宽积，都展示出较好的应用前景，拓宽了单像素全息成像在各种生物复杂组织成像及多光谱成像中的应用前景。(生物谷Bioon.com）9 k8 q8 z5 o- @! W9 x# ^
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