单像素显微镜（SPM）是一种计算成像技术，它通过使用桶探测器测量样本被一系列微结构光图案照射后的反射光强，从而重建图像。其中，基于Hadamard变换的单像素显微镜（HSPM）是主流实现方式，利用Hadamard基图案编码在数字微镜设备（DMD）上投影到样本。然而，DMD本身设计用于消费级显示，会引入像差，加之样本散射，限制了HSPM在实际成像条件下的最大性能。本文针对这一问题，首次从理论和实验上系统分析了像差对HSPM的影响，并提出了创新解决方案：集成多驱动器自适应透镜（M-AL）来校正像差，结合无波前传感器方法，实现了HSPM的近衍射极限操作。该方法不仅校正了光学系统像差，还能补偿样本诱导的像差，为单像素显微镜的高分辨率生物成像开辟了新途径。

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，论文题为“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》期刊上在线发表。

重要发现
01像差问题的理论分析
HSPM的成像质量高度依赖于Hadamard图案在样本平面上的精确投影。当系统设计接近衍射极限时，几何分辨率（Δr_geo）与衍射分辨率（Δr_diff）相当，但DMD引入的像差会显著调制高频图案，导致重建图像模糊。理论分析表明，像差效应可以建模为图案与像差点扩散函数的卷积，这等价于样本图像被同样像差调制。通过数学推导，研究者证明，校正像差只需在投影系统的光瞳平面引入共轭波前即可补偿。这一发现为后续实验提供了理论基础，凸显了像差校正的必要性。

首先，研究者使用Shack-Hartman波前传感器测量了DMD诱导的像差，发现像差以像散为主，与文献报道一致。随后，通过M-AL引入共轭波前，对高分辨率图表进行成像实验。结果显示，未校正时图像存在明显模糊，而校正后图像对比度和分辨率显著提升，验证了M-AL的有效性。这一过程证明了透射式自适应光学元件的便捷性，无需复杂光路调整即可集成到现有显微镜系统。

在测试中，对略微离焦的样本应用WSL方法，校正了像散和离焦等一阶像差，图像质量显著改善。该方法效率高，仅需扫描15个点即可找到最优解，避免了传统迭代算法的耗时问题。

创新与亮点
本文突破了HSPM中长期存在的像差难题。传统HSPM为避免像差，常采用像素合并（binning）技术，但这牺牲了空间分辨率。本研究首次实现了在无binning条件下接近衍射极限的成像，通过M-AL校正DMD诱导像差，并结合WSL方法自动补偿样本像差。创新点在于：一是采用透射式自适应透镜，简化了集成流程，避免了反射式元件所需的额外光路；二是利用Hadamard频谱直接优化，无需波前传感器或图像重建，提升了校正效率。

在光学成像技术层面，这项工作将单像素显微镜的分辨率推向了新高度。传统SPM的分辨率多受限于几何因素，而本研究通过像差校正，使系统能够充分利用DMD的空间采样能力，实现了亚微米级分辨率。这对于生物成像意义重大，例如在组织病理学或细胞成像中，能够更清晰地观察细微结构，提升诊断准确性。此外，方法兼容多模态成像，如荧光或相位成像，为未来开发多功能显微镜奠定了基础。

总结与展望
本研究系统解决了HSPM中的像差问题，通过理论创新和实验验证，实现了近衍射极限的高分辨率成像。核心贡献在于集成多驱动器自适应透镜和开发无波前传感器方法，不仅校正了光学系统像差，还拓展至样本诱导像差的补偿。实验结果证实，该方法在标准测试和生物样本上均表现优异，分辨率提升显著，且操作简便。展望未来，这一框架可进一步优化，例如扩展至更高阶像差校正或结合深度学习加速优化过程。在生物医疗领域，该技术有望推动单像素显微镜在实时诊断、活体成像中的应用，为精准医疗提供强大工具。同时，其模块化设计鼓励开源创新，促进显微镜技术的小型化和普及化。总之，本研究为单像素显微镜的高性能发展指明了方向，并为多学科交叉创新提供了坚实平台。

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