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集成多驅(qū)動(dòng)器自適應(yīng)透鏡結(jié)合無(wú)波前傳感器實(shí)現(xiàn)HSPM的近衍射極限操作
單像素顯微鏡（SPM）是一種計(jì)算成像技術(shù)，它通過(guò)使用桶探測(cè)器測(cè)量樣本被一系列微結(jié)構(gòu)光圖案照射后的反射光強(qiáng)，從而重建圖像。其中，基于Hadamard變換的單像素顯微鏡（HSPM）是主流實(shí)現(xiàn)方式，利用Hadamard基圖案編碼在數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）上投影到樣本。然而，DMD本身設(shè)計(jì)用于消費(fèi)級(jí)顯示，會(huì)引入像差，加之樣本散射，限制了HSPM在實(shí)際成像條件下的最大性能。本文針對(duì)這一問(wèn)題，首次從理論和實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)分析了像差對(duì)HSPM的影響，并提出了創(chuàng)新解決方案：集成多驅(qū)動(dòng)器自適應(yīng)透鏡（M-AL）來(lái)校正像差，結(jié)合無(wú)波前傳感器方法，實(shí)現(xiàn)了HSPM的近衍射極限操作。該方法不僅校正了光學(xué)系統(tǒng)像差，還能補(bǔ)償樣本誘導(dǎo)的像差，為單像素顯微鏡的高分辨率生物成像開(kāi)辟了新途徑。
本研究成果由Heberley Tobon-Maya、Lindsey Willstatter、Samuel I. Zapata-Valencia、Stefano Bonora、Enrique Tajahuerce和Jesus Lancis等研究者共同完成，論文題為“Hadamard based single-pixel microscopy using sensor-less adaptive optics supported by multi-actuator adaptive lens”，于2025年1月30日接收，2025年10月27日接受，并于2025年12月在《Nature Communications》期刊上在線發(fā)表。
重要發(fā)現(xiàn)
01像差問(wèn)題的理論分析
HSPM的成像質(zhì)量高度依賴于Hadamard圖案在樣本平面上的精確投影。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)接近衍射極限時(shí)，幾何分辨率（Δr_geo）與衍射分辨率（Δr_diff）相當(dāng)，但DMD引入的像差會(huì)顯著調(diào)制高頻圖案，導(dǎo)致重建圖像模糊。理論分析表明，像差效應(yīng)可以建模為圖案與像差點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的卷積，這等價(jià)于樣本圖像被同樣像差調(diào)制。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，研究者證明，校正像差只需在投影系統(tǒng)的光瞳平面引入共軛波前即可補(bǔ)償。這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)，凸顯了像差校正的必要性。
研究者構(gòu)建了一套HSPM系統(tǒng)，核心創(chuàng)新在于集成了多驅(qū)動(dòng)器自適應(yīng)透鏡（M-AL）。M-AL是一種透射式可編程光學(xué)元件，能夠獨(dú)立調(diào)整Zernike多項(xiàng)式系數(shù)，從而在系統(tǒng)光瞳平面引入定制波前，校正像差。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用650 nm激光源，DMD編碼Hadamard圖案，通過(guò)顯微物鏡投影到樣本，反射光由桶探測(cè)器收集。M-AL被置于共軛光瞳平面，實(shí)現(xiàn)對(duì)DMD誘導(dǎo)像差的直接補(bǔ)償。
首先，研究者使用Shack-Hartman波前傳感器測(cè)量了DMD誘導(dǎo)的像差，發(fā)現(xiàn)像差以像散為主，與文獻(xiàn)報(bào)道一致。隨后，通過(guò)M-AL引入共軛波前，對(duì)高分辨率圖表進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，未校正時(shí)圖像存在明顯模糊，而校正后圖像對(duì)比度和分辨率顯著提升，驗(yàn)證了M-AL的有效性。這一過(guò)程證明了透射式自適應(yīng)光學(xué)元件的便捷性，無(wú)需復(fù)雜光路調(diào)整即可集成到現(xiàn)有顯微鏡系統(tǒng)。
03自動(dòng)無(wú)波前傳感器方法為擴(kuò)展應(yīng)用，研究者開(kāi)發(fā)了無(wú)波前傳感器（WSL）方法，直接利用樣本的Hadamard頻譜（HS）進(jìn)行像差校正。該方法基于一個(gè)關(guān)鍵觀察：當(dāng)系統(tǒng)像差最小時(shí)，HS中頻區(qū)域的絕對(duì)值之和（作為優(yōu)值函數(shù)）達(dá)到最大。通過(guò)迭代掃描M-AL的Zernike系數(shù)，優(yōu)化優(yōu)值函數(shù)，無(wú)需重建圖像即可實(shí)現(xiàn)像差校正。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能同時(shí)校正DMD和樣本誘導(dǎo)的像差，如輕微離焦或樣本散射。
在測(cè)試中，對(duì)略微離焦的樣本應(yīng)用WSL方法，校正了像散和離焦等一階像差，圖像質(zhì)量顯著改善。該方法效率高，僅需掃描15個(gè)點(diǎn)即可找到最優(yōu)解，避免了傳統(tǒng)迭代算法的耗時(shí)問(wèn)題。
04生物樣本成像應(yīng)用最后，方法在生物樣本上得到驗(yàn)證。以棉花組織為例，這種厚樣本會(huì)引入自身像差，導(dǎo)致圖案投影模糊。應(yīng)用WSL方法后，不僅校正了系統(tǒng)像差，還補(bǔ)償了樣本誘導(dǎo)的像差，圖像中纖維細(xì)節(jié)清晰可辨，分辨率提升至550線對(duì)/毫米，接近系統(tǒng)衍射極限（0.81μm）。這證明了該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像中的潛力，尤其適用于高散射樣本。
創(chuàng)新與亮點(diǎn)
本文突破了HSPM中長(zhǎng)期存在的像差難題。傳統(tǒng)HSPM為避免像差，常采用像素合并（binning）技術(shù)，但這犧牲了空間分辨率。本研究首次實(shí)現(xiàn)了在無(wú)binning條件下接近衍射極限的成像，通過(guò)M-AL校正DMD誘導(dǎo)像差，并結(jié)合WSL方法自動(dòng)補(bǔ)償樣本像差。創(chuàng)新點(diǎn)在于：一是采用透射式自適應(yīng)透鏡，簡(jiǎn)化了集成流程，避免了反射式元件所需的額外光路；二是利用Hadamard頻譜直接優(yōu)化，無(wú)需波前傳感器或圖像重建，提升了校正效率。
在光學(xué)成像技術(shù)層面，這項(xiàng)工作將單像素顯微鏡的分辨率推向了新高度。傳統(tǒng)SPM的分辨率多受限于幾何因素，而本研究通過(guò)像差校正，使系統(tǒng)能夠充分利用DMD的空間采樣能力，實(shí)現(xiàn)了亞微米級(jí)分辨率。這對(duì)于生物成像意義重大，例如在組織病理學(xué)或細(xì)胞成像中，能夠更清晰地觀察細(xì)微結(jié)構(gòu)，提升診斷準(zhǔn)確性。此外，方法兼容多模態(tài)成像，如熒光或相位成像，為未來(lái)開(kāi)發(fā)多功能顯微鏡奠定了基礎(chǔ)。
總結(jié)與展望
本研究系統(tǒng)解決了HSPM中的像差問(wèn)題，通過(guò)理論創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了近衍射極限的高分辨率成像。核心貢獻(xiàn)在于集成多驅(qū)動(dòng)器自適應(yīng)透鏡和開(kāi)發(fā)無(wú)波前傳感器方法，不僅校正了光學(xué)系統(tǒng)像差，還拓展至樣本誘導(dǎo)像差的補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該方法在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和生物樣本上均表現(xiàn)優(yōu)異，分辨率提升顯著，且操作簡(jiǎn)便。展望未來(lái)，這一框架可進(jìn)一步優(yōu)化，例如擴(kuò)展至更高階像差校正或結(jié)合深度學(xué)習(xí)加速優(yōu)化過(guò)程。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，該技術(shù)有望推動(dòng)單像素顯微鏡在實(shí)時(shí)診斷、活體成像中的應(yīng)用，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供強(qiáng)大工具。同時(shí)，其模塊化設(shè)計(jì)鼓勵(lì)開(kāi)源創(chuàng)新，促進(jìn)顯微鏡技術(shù)的小型化和普及化�？傊�，本研究為單像素顯微鏡的高性能發(fā)展指明了方向，并為多學(xué)科交叉創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)平臺(tái)。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Tobón-Maya H, Willstatter L, Zapata-Valencia SI, Bonora S, Tajahuerce E, Lancis J. Hadamard based single-pixel microscopy using sensor-less adaptive optics supported by multi-actuator adaptive lens. Nat Commun. 2025 Dec 8;16(1):10933.
DOI:10.1038/s41467-025-65940-4.
標(biāo)簽：
集成多驅(qū)動(dòng)器自適應(yīng)透鏡
M-AL
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- 集成多驅(qū)動(dòng)器自適應(yīng)透鏡結(jié)合無(wú)波前傳感器實(shí)現(xiàn)HSPM的近衍射極限操作
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