全息显微成像技术能够同时获取生物样本的振幅和相位信息，无需荧光标记即可观测细胞形态、生长动力学等关键参数，在生物医学研究和材料科学中具有不可替代的价值。然而，传统全息显微镜依赖面阵相机探测，在红外波段面临探测器成本高昂、技术复杂的瓶颈。单像素成像技术通过空间光调制器编码、单点探测器采集、计算重建的方式，为红外成像提供了低成本解决方案——单像素探测器具有宽光谱响应、快速响应和低成本等优势。但现有单像素显微系统大多只能进行振幅成像，无法提取关键的相位信息，且难以同时实现多波段互补成像。本文正是在此背景下，提出了一种集成红外与可见光光源的单像素全息显微系统，实现双波段的振幅与相位同时成像。2026年2月，太原理工大学团队在《Applied Physics Letters》发表题为《Infrared and visible single-pixel holographic microscope》的研究。该研究面向多光谱全息成像的技术瓶颈，构建了集成532nm可见光与1064nm近红外光源的单像素全息显微系统，通过棋盘格模式自参考与四步移相干涉，仅用单像素探测器同时重建目标的振幅与相位，系统分辨率达2.46μm，64×64像素下成像帧率可达5.54Hz，为多光谱生物显微成像提供了全新技术方案。
图文简介
图1：全息显微镜实验装置图，展示可见光与红外双光源、二向色镜合束、扩束准直、显微物镜放大、DMD空间调制及双波段并行探测的完整光路。
图2：显微系统分辨率表征，展示1951-USAF分辨率靶标的真值、重建振幅图、重建相位图及对应一维强度和相位剖面，验证系统分辨率优于2.46μm。
图3：透过牛奶散射介质的全息显微成像，对比532nm可见光与1064nm红外光的重建效果，证明红外光具有更强的穿透散射能力。
图4：松花粉、蜻蜓眼切片、木本双子叶植物茎横切三种生物样品在可见光与红外光下的振幅和相位重建结果，展示双波段的互补成像特性。
图5：不同下采样分辨率的生物样品重建结果，展示64×64和128×128两种分辨率在10%-100%采样率下的振幅与相位成像质量。创新点1：针对传统全息显微镜受限于面阵探测器红外响应差、成本高的难点，首次将单像素相干探测技术引入全息显微架构，利用单像素探测器宽光谱响应（400-1100nm）和低成本优势，实现了可见光与近红外双波段的同时全息成像（振幅+相位），为全息显微术向红外波段拓展提供了全新硬件范式。
创新点2：针对不同波段在生物成像中各有优劣（近红外穿透散射能力强、可见光对透明样品相位重建灵敏度更高）的互补特性，设计了一种双波长并行探测架构——利用二向色镜合束、双通道滤波与双探测器同步采集，实现了对同一视场下两种波段信息的真正并行获取，使系统能够根据样品类型灵活选择或融合最优波段信息。
创新点3：针对单像素成像逐点扫描导致数据采集量大、成像帧率低的难点，提出基于四步相移干涉的下采样策略——利用四步相移恢复复振幅信息，在25%采样率下仍保持可接受的成像质量，将64×64像素下的帧率提升至5.54Hz，为观测快速生物过程提供了可能。
这篇论文的核心意义在于，它首次将双波段全息成像与单像素技术深度融合，成功突破了传统显微成像的波段限制。该系统不仅实现了2.46μm的高分辨率，更重要的是验证了可见光与红外双波段成像的互补性——红外在散射介质中具有显著的穿透优势，而可见光在透明样本成像中表现更佳。虽然目前受DMD光谱范围限制尚未拓展至中红外波段，但该研究为低成本、多光谱、无标记的生物显微成像开辟了新路径。它的启发是：计算显微成像的未来发展方向，在于充分利用不同波段的物理特性，通过光学编码与计算重建的巧妙结合，用简单硬件实现超越传统极限的复杂成像功能。
阅读原文:https://doi.org/10.1063/5.0314377
