本文提出一种基于传感器阵列衍射复用的大规模压缩显微成像技术，通过48个传感器组成二维超级传感器阵列，在傅里叶平面引入衍射光学元件实现点扩散函数编码，结合压缩感知重建算法填补间隙信息，实现单次快照十亿像素级高通量成像。系统可在5.2平方厘米以上视场内达到约3微米分辨率，最高帧率120帧每秒，有效时空通量达252亿像素每秒。

本文第一作者Kevin C. Zhou，通讯作者 Laura Waller，合作作者包括 Chaoying Gu、Muneki Ikeda、Tina M. Hayward、Nicholas Antipa、Rajesh Menon、Roarke Horstmeyer、Saul Kato。论文题为 《Large-scale compressive microscopy via diffractive multiplexing across a sensor array》，发表于 《Nature Photonics》。

重要发现
01系统架构与衍射编码设计
该计算显微镜采用光瞳编码成像架构，由物镜、镜筒透镜及放置在光瞳平面的衍射光学元件组成，像平面处由48 个传感器构成 6 行 8 列的二维阵列，形成非连续的 "超级传感器"。传感器中心间距 9 毫米，每个传感器具有 3136×4096 像素、1.1 微米像素间距，单次快照可捕获 0.617 千兆像素数据，矩形外轮廓覆盖 4.95 厘米 ×6.64 厘米物理面积。衍射光学元件作为相位掩模置于光瞳平面，生成包含 15 个类脉冲斑点的稀疏扩展点扩散函数，将整个超级传感器区域（包括间隙）的信息编码到每个检测像素上。传感器阵列位于近似 4f 成像系统输出端，衍射光学元件位于傅里叶平面，使全视场信息得以有效采样编码。

大规模压缩显微镜概述

衍射光学元件设计遵循五项核心原则：点扩散函数空间范围足够大以覆盖间隙；保持稀疏特性且脉冲斑点锐利；分布具伪随机性避免重建伪影；衍射效率尽可能高以保证信噪比；考虑制造公差确保实际性能。最终元件图案由6638×6638 个高度矩阵单元组成，每个单元 6 微米 ×6 微米，最大相位深度 0.787 微米。

全位移变量模型相比基于块的位移不变模型，在内存效率和重建精度上均具优势。每帧重建在24GB 显存图形处理器上不到 5 秒，每秒可完成超过 10 次迭代，50 次迭代即可收敛。该方法无需物理点扩散函数校准，对系统扰动鲁棒性强。直接卷积方法不仅实现快速重建，还支持空间变化畸变校正，有效补偿大视场下的光学像差。

静态样本的大视场高分辨率重建

性能表征显示，暗场模式在大部分扩展视场内可分辨2.76 微米全节距分辨率，部分位置更优。4 倍下采样工作模式下，光学分辨率与奈奎斯特采样分辨率在 20.0×26.4 平方毫米重建视场内基本匹配，每帧像素数达 2.1 亿，有效成像通量高达约 252 亿像素每秒。荧光模式分辨率同样达微米级别，视场曲率与景深特性均得到系统量化评估。

野生型秀丽隐杆线虫的高速（120帧/秒）暗场成像

秀丽隐杆线虫重建的高速（120 fps）功能荧光成像

120 帧每秒的帧率可捕捉线虫快速运动动态，避免运动模糊。大规模并行成像使单次实验即可获得大量个体统计数据，显著提升生物实验通量与统计效力。结果表明，该技术不仅静态分辨率指标优异，更在动态活体成像实际应用中展现出强大实用性。

创新与亮点
该工作突破传统显微镜在空间分辨率、视场与帧率三者间固有权衡的核心难题，创新性将传感器阵列并行采集与衍射光瞳编码压缩感知结合，实现时空通量双重提升。48 个传感器提供 48 倍像素增长，衍射光学元件编码与压缩重建进一步将有效视场扩展超过 5.4 倍，最终达 252 亿像素每秒超高通量。该技术在光学生物医疗领域价值显著：模式生物研究中可同时对大量自由运动个体进行高分辨率结构与功能成像，大幅提升药物筛选与行为学研究效率；临床诊断中可用于大规模细胞计数与稀有细胞检测；工业领域可应用于半导体检测等大视场高分辨率场景。

总结与展望
大规模压缩显微成像技术，通过传感器阵列与衍射光学元件协同设计，实现十亿像素级、微米分辨率、百帧每秒高通量活体显微成像，为高通量生物研究提供新平台。未来可改进衍射光学元件设计引入深度编码扩展至三维成像；优化大视场光学系统降低像差与渐晕；结合深度学习提升重建速度与质量，推动技术在更广泛生物医学与工业检测领域的应用。