基于加权分数阶厄米-高斯调制的多帧堆叠集成高保真单像素成像技术

针对单像素成像(SPI)中编码效率低、光学失配导致分辨率受限的问题，哈尔滨工业大学团队提出基于分数阶厄米-高斯(FrHG)调制的创新框架。通过双差分光子关联和像素加权预处理抑制量化伪影，结合贝叶斯多帧融合策略，在生物显微成像中实现亚微米级高保真重建，为弱光/非可见光成像提供通用解决方案。

　　

在生物医学成像领域，传统阵列传感器面临光子稀缺和非可见光波段成像的固有局限。单像素成像(SPI)因其高量子效率和低成本优势，逐渐成为解决这些问题的关键技术。然而，现有Hadamard、Fourier和Zernike等调制方案存在编码效率不足、量化误差显著等问题，严重制约着成像分辨率和保真度的提升。特别是在生物组织显微成像中，这些缺陷导致难以获取亚细胞结构的精细特征，阻碍了SPI在病理诊断等关键场景的应用。

哈尔滨工业大学的研究团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表的研究中，创新性地将分数阶厄米-高斯(FrHG)函数引入SPI调制。这种数学上作为Fresnel衍射本征函数的基底，具有与光传播物理过程高度一致的特性。研究人员构建了完整的WFrHG-SI技术框架，包含四个核心技术：分数阶调制实现自适应分辨率采样、双差分相关重建算法、基于误差先验的像素加权预处理、以及分区堆叠扫描的多帧贝叶斯融合策略。实验采用450nm LED光源和DMD调制系统，在分辨率测试靶和生物组织样本上验证了方法优势。

【光学设置】研究采用主动调制照明SPI几何构型，通过数字微镜器件(DLP9000X)实现高速二进制投影。系统创新性地引入FrHG连续灰度调制，克服传统二值化带来的量化误差，光路设计兼容各类SPI硬件架构。

【多帧集成仿真】对比FSI和HSI，WFrHG-SI在20%采样率下即能清晰分辨4.92μm线对。当α=β=1时，中心区域高频成分重建效果最佳，峰值信噪比(PSNR)较传统方法提升8.3dB。分数阶参数变化产生的焦平面位移，通过多帧配准转化为分辨率提升资源。

【组织成像验证】在小鼠肝脏组织成像中，该方法在1/4采样下仍能清晰识别3.7μm的肝索结构，纹理保真度优于Zernike方法47%。偏振敏感成像实验进一步证实其对食管癌变组织的鉴别能力，特征区域对比度提升2.1倍。

【误差抑制机制】量化分析显示，像素加权预处理使重建误差降低62.5%。双差分调制将光子噪声影响抑制在±3个电子水平，而多帧贝叶斯融合使亚像素信息利用率提升至93.2%。

这项研究的意义在于：首先，FrHG调制首次实现了SPI中连续、局部化的生物启发式编码，其"中央凹采样"特性更符合生物视觉的信息处理机制；其次，建立的误差抑制框架为光学量化问题提供普适性解决方案；最后，技术兼容性使其可扩展至X射线、太赫兹等非可见光显微成像领域。研究团队指出，未来通过优化FrHG基底生成算法和开发专用集成电路，有望将处理速度提升至实时成像要求，这将推动SPI技术在术中导航和动态病理检测中的应用突破。

研究获得国家自然科学基金(12374271)等多项资助，所有作者声明无利益冲突。该方法为高分辨率生物医学成像提供了兼具理论创新性和工程实用性的技术路径，其多学科交叉特性也为计算光学领域开辟了新的研究方向。