编辑推荐：
波前单像素成像（Wavefront single-pixel imaging, WSPI）已成为一种同时重建振幅和相位的有前景的方法，特别是在相机不成熟甚至不可用的光谱波段。然而，传统的WSPI受限于有限的成像速度、范围和繁重的图案数据存储。在此，研究人员展示
波前单像素成像（Wavefront single-pixel imaging, WSPI）已成为一种同时重建振幅和相位的有前景的方法，特别是在相机不成熟甚至不可用的光谱波段。然而，传统的WSPI受限于有限的成像速度、范围和繁重的图案数据存储。在此，研究人员展示了一种波前线扫描成像（Wavefront Line-scan Imaging, WLSI）技术，该技术将一维空间光调制与单像素探测相结合，实现了在大矩形范围内更快的成像，且图案数据存储量最小。研究人员开发了一个理论模型，并通过仿真和实验进行了验证。数字微镜器件（Digital Micromirror Device, DMD）在一维模式下工作，实现了90.9 kHz的调制速率，在无压缩下采样的情况下，每行线扫描成像时间为2.8 ms。因此，在重建256 × 256像素的全采样波前时，与WSPI相比，WLSI的成像速度提高了4倍以上，并将图案数据存储量显著降低了5个数量级以上。推扫式WLSI扩展了成像范围，实现了长矩形范围内的连续采集。结合WSPI的优势与线扫描成像的灵活性，研究人员为生物样品的高通量振幅和相位成像、光学元件缺陷检测、特殊光谱波前检测等提供了潜在的解决方案。
论文解读：波前线扫描成像技术的突破与应用
研究背景与动机
波前成像技术在光学系统校准和透明样品观测等领域具有广泛应用，其核心在于同时重现光波的振幅和相位。然而，现有的波前传感技术主要依赖于像素阵列传感器（如CCD/CMOS），这在红外、紫外等特殊波长检测中面临挑战，因为这些波段的传感器要么不成熟，要么制造成本高昂。尽管基于点探测和光学干涉测量的波前单像素成像（WSPI）技术为特殊波段检测提供了有效途径，但其成像速度慢仍是主要障碍。虽然压缩感知算法（CS）和离轴配置等方法被用于加速，但仍难以在成像质量和速度之间取得平衡。此外，数字微镜器件（DMD）在二维调制下的刷新率有限（约22.7 kHz），且板载内存限制了高分辨率WSPI的发展，导致高分辨率成像时面临内存溢出的风险。为了解决这些限制，研究人员提出了波前线扫描成像（WLSI）技术，旨在实现高速、大范围且低存储需求的波前成像。该研究成果发表于《Advanced Science》。
关键技术方法
研究人员主要采用一维空间光调制结合单像素探测的策略。首先，从传统的二维调制基（如Hadamard基）中提取行向量构建一维线扫描图案（LPs）。其次，建立了基于相移干涉法和离轴干涉法的WLSI框架，利用DMD在一维模式下的高速刷新特性（90.9 kHz）进行调制。研究中采用了两种扫描策略：感兴趣区域切换策略（RS-WLSI）和推扫式策略（PB-WLSI）。前者通过在DMD上移动窄矩形感兴趣区域（ROI）进行扫描，后者则固定ROI并通过电动位移台平移样品。最后，利用二阶相关（SOC）算法对采集的数据进行处理，重建物体的二维波前信息。实验验证使用了美国空军分辨率靶（USAF target）和西门子星（Siemens star）作为标准测试目标，并对金刚树叶片和丝瓜叶片切片等生物样品进行了成像。
研究结果
3.1 RS-WLSI的实验验证
研究人员通过重建USAF靶的振幅和西门子星的相位验证了RS-WLSI的可行性。结果显示，相移RS-WLSI能够分辨出USAF靶中第4组第3个元素（线宽24.80 μm），而离轴RS-WLSI可分辨至第3组第6个元素（线宽35.08 μm），这与系统的物理分辨率（30.4 μm）一致。通过调整DMD微镜合并方式（从4 × 4调整为2 × 2），成像分辨率得到提升，相移法可识别至第5组第2个元素（13.92 μm）。相位重建结果也表明，随着分辨率的提高，可分析的最小花瓣半径减小，证实了该方法的有效性。由于窄ROI的设置，DMD的最大刷新率达到90.9 kHz，使得离轴RS-WLSI在全采样下每行成像时间仅为2.8 ms。
3.2 PB-WLSI的实验验证
在PB-WLSI实验中，研究人员同样使用了USAF靶和西门子星进行验证。结果显示，相移PB-WLSI可识别第5组第2个元素，离轴PB-WLSI可识别第4组第2个元素。相位重建的最小可分析半径分别为198 μm和334 μm。与RS-WLSI相比，PB-WLSI理论上沿扫描方向具有无限的成像范围，尽管其成像速度受限于位移台的平移速度，但已有匹配的高速位移台可供选用。
3.3 WLSI与最先进WSPI的比较
研究人员将WLSI与现有的最先进WSPI进行了性能对比。在全采样重建256 × 256像素图像时，传统离轴WSPI需要65536个调制图案，超出了DMD的存储容量（128 Gbit内存限制62137个图案），而WLSI的存储占用仅为0.94 Mbit，实现了超过5个数量级的降低。此外，WLSI利用ROI的滚动切换能力，将DMD刷新率提升至90.9 kHz，相比WSPI的22.7 kHz，成像速度提高了4倍以上，且成像质量未出现恶化。
3.4 生物样品的高通量振幅和相位成像
为了表征WLSI对生物样品的波前成像能力，研究人员选取了金刚树叶片和丝瓜叶片切片作为目标。结果显示，WLSI能够清晰地重建叶片的脉管结构和表面形态。例如，在512 × 256像素分辨率下，RS-WLSI成功捕捉到了叶片表面的凹凸纹理和静脉结构；而在1600 × 256像素分辨率下，PB-WLSI实现了24.3 mm × 3.9 mm的大范围成像。这些结果表明，WLSI能够准确恢复大面积生物样品的波前，在生物检测中表现出良好的性能。
结论与讨论
研究人员展示了一种利用一维空间光调制与单像素探测相结合的波前成像方法，即WLSI。通过建立理论模型并搭建实验装置，验证了该技术在提高成像速度和降低数据存储方面的优势。研究提出的两种扫描模式——RS-WLSI和PB-WLSI——各有千秋：RS-WLSI通过ROI切换避免了机械扰动，适合静态样品；PB-WLSI则通过推扫样品实现了沿扫描方向的无限成像范围。与现有技术相比，WLSI在重建256 × 256像素波前时，成像速度提升了4倍，内存占用减少了5个数量级。尽管在波前线扫描重建过程中会引入微小的拼接误差，但通过优化采样策略或参考现有干涉图拼接方法，有望进一步提高重建精度。未来，通过采用更高频率的一维相位调制器、高速旋转圆柱掩模或多边形反射镜等技术，WLSI的成像速度和应用范围有望得到进一步拓展。这项工作为生物样品高通量成像、光学元件缺陷检测及特殊光谱波前检测提供了新的潜在解决方案。
