单像素全息成像是一种能够以单个像素对样品进行复振幅全息成像的技术。相较于阵列探测器，如CCD、CMOS相机等，单像素探测具有低暗电流噪声、高灵敏度、宽探测带宽、低廉的价格等优点。尤其在一些CCD、CMOS相机所无法达到或价格较为昂贵的波长探测范围内，如X-ray、太赫兹以及近红外等，单像素成像技术显得尤为重要。然而，早期系统必须逐步相移调制并以牺牲像素为代价实现二元强度的相位调制，降低了单像素全息系统获取的空间信息通量，导致恢复过程漫长、恢复的复振幅图像质量较低。且受限于生物组织相对较弱的对比度与一定的散射性，单像素全息技术在生物组织微观成像中的应用尚未完全开展。

针对上述难题，我实验室海洋信息感知与融合创新团队首席科学家李朝晖教授与中山大学沈乐成副教授提出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。通过这些技术创新，所研发的高通量单像素全息系统可以实现41667 pixel/s的空间带宽积，重建图像像素可达65536个（256 × 256）。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。利用这一系统，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进行成像时的优越性能，从视场范围、分辨率、成像有效像素、空间带宽积等方面评估，都展示出对生物复杂组织较好的应用前景。此外，该技术可满足面向海洋生物或微生物组织成像时所需的高通量、高分辨率、大视场范围等需求，有望在未来被应用于海洋生物活体功能性活动的观测中。

图1 基于外差拍频的高通量单像素全息系统原理图

图2 基于未染色鼠脑组织切片的单像素复振幅成像

该研究成果于2021年8月在期刊Nature Communications（中科院SCI一区，影响因子14.9）上发表，题目为“Imaging biological tissue with high-throughput single-pixel compressive holography”。中山大学电子与信息工程学院博士研究生伍代轩为文章第一作者，创新团队首席科学家李朝晖教授与中山大学沈乐成副教授为通讯作者，南方海洋实验室是共同完成单位。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及南方海洋实验室创新团队建设科研经费的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24990-0