集成多驅(qū)動器自適應(yīng)透鏡結(jié)合無波前傳感器實現(xiàn)HSPM的近衍射極限操作

單像素顯微鏡（SPM）是一種計算成像技術(shù)，它通過使用桶探測器測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)計用于消費(fèi)級顯示，會引入像差，加之樣本散射，限制了HSPM在實際成像條件下的最大性能。本文針對這一問題，首次從理論和實驗上系統(tǒng)分析了像差對HSPM的影響，并提出了創(chuàng)新解決方案：集成多驅(qū)動器自適應(yīng)透鏡（M-AL）來校正像差，結(jié)合無波前傳感器方法，實現(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)計接近衍射極限時，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，這等價于樣本圖像被同樣像差調(diào)制。通過數(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)實驗提供了理論基礎(chǔ)，凸顯了像差校正的必要性。

首先，研究者使用Shack-Hartman波前傳感器測量了DMD誘導(dǎo)的像差，發(fā)現(xiàn)像差以像散為主，與文獻(xiàn)報道一致。隨后，通過M-AL引入共軛波前，對高分辨率圖表進(jìn)行成像實驗。結(jié)果顯示，未校正時圖像存在明顯模糊，而校正后圖像對比度和分辨率顯著提升，驗證了M-AL的有效性。這一過程證明了透射式自適應(yīng)光學(xué)元件的便捷性，無需復(fù)雜光路調(diào)整即可集成到現(xiàn)有顯微鏡系統(tǒng)。

在測試中，對略微離焦的樣本應(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個點(diǎn)即可找到最優(yōu)解，避免了傳統(tǒng)迭代算法的耗時問題。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
本文突破了HSPM中長期存在的像差難題。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。本研究首次實現(xiàn)了在無binning條件下接近衍射極限的成像，通過M-AL校正DMD誘導(dǎo)像差，并結(jié)合WSL方法自動補(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，而本研究通過像差校正，使系統(tǒng)能夠充分利用DMD的空間采樣能力，實現(xiàn)了亞微米級分辨率。這對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，為未來開發(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中的像差問題，通過理論創(chuàng)新和實驗驗證，實現(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)動器自適應(yīng)透鏡和開發(fā)無波前傳感器方法，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。實驗結(jié)果證實，該方法在標(biāo)準(zhǔn)測試和生物樣本上均表現(xiàn)優(yōu)異，分辨率提升顯著，且操作簡便。展望未來，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)化過程。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，該技術(shù)有望推動單像素顯微鏡在實時診斷、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，其模塊化設(shè)計鼓勵開源創(chuàng)新，促進(jìn)顯微鏡技術(shù)的小型化和普及化。總之，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)新提供了堅實平臺。

DOI:10.1038/s41467-025-65940-4.