在光学成像技术飞速发展的21世纪，可见光谱区域的成像技术因硅基探测器的成熟而日臻完善。然而在近红外(NIR)和中红外等非可见波段，传统阵列探测器面临量子效率低、成本高昂的困境，这严重制约了在生物组织深层成像、材料分析和化学过程监测等关键领域的研究进展。单像素成像(SPI)技术因其探测器在宽光谱范围内的高灵敏度而备受关注，特别是其复杂场成像(complex-field imaging)变体能够同时获取振幅和相位信息，对透明样本或动态折射率变化研究至关重要。但传统SPI技术受限于序列式图案投影和复杂重建算法，导致空间带宽时间积(SBP-T)低下，难以满足实时动态成像需求。
在这一背景下，Wu等人在《Light: Science & Applications》发表的研究提出了一种革命性的解决方案——频率梳声光相干编码(FACE)技术。该技术通过创新性地结合声光偏转器(AOD)和频率梳编码策略，成功突破了单像素复杂场显微镜(SPCM)的吞吐量瓶颈。
关键技术方法包括：使用正交频率梳信号驱动的声光偏转器(AOD)替代传统数字微镜器件(DMD)，实现无机械扫描的二维光谱编码投影；采用共轴外差全息装置将复杂场信息嵌入时序信号；基于傅里叶变换的解码结合GPU加速重建，实现实时处理。研究涉及微流体芯片中的油包水液滴、水生介质中的草履虫以及醋酸钠-碳酸氢钠化学反应等多种动态样本的验证。
动态成像性能验证
通过分辨率靶测试，研究团队确认了系统3.76微米的横向分辨率。在微流体成像实验中，FACE-SPCM成功捕获了油包水液滴形成和流动的详细动力学过程，以1毫秒时间间隔生成相位分辨电影，即使在散射介质中也能清晰成像。活体微生物追踪实验展示了该技术对草履虫游动过程的无标记成像能力，凸显了在生物医学研究中的应用潜力。化学反应监测实验则揭示了醋酸与碳酸氢钠反应过程中产生的细微相位差异和二氧化碳微泡形成动态，而乙醇与纯水混合的对照实验进一步验证了系统的可靠性。
技术优势与创新突破
FACE技术的核心突破在于其并行编码策略。与传统SPI系统逐帧投影图案不同，FACE通过声光偏转器同时编码所有空间频率，将空间信息嵌入信号的时序演化中。这一设计使系统实现了1.3×107的SBP-T，较传统SPI方法提升2-3个数量级，甚至超越某些商业近红外相机的信息吞吐量。系统采用共轴外差全息装置保持稳定的零级参考光束，确保相位和振幅信息的高保真度重建。
应用前景与未来发展
该技术在生物医学成像领域具有重大应用价值，能够对活细胞和组织动力学进行无标记监测；在环境传感方面，可用于光学挑战性条件下的流体监测；在化学过程控制中，能对透明混合和反应进行连续无损监测。研究者指出，未来通过与大像素多探测器、压缩感知相结合，可进一步提升系统速度和分辨率。多光谱或高光谱成像扩展、与超分辨率方法结合、在量子成像设置中的应用等方向也展现出广阔前景。
研究结论与意义
Wu等人通过FACE-SPCM系统重新定义了单像素显微技术在速度、分辨率和视场之间的传统权衡关系。这一技术平台不仅克服了SPI和SPCM的传统瓶颈，更将其从边缘化的计算技术提升为可扩展的实时成像平台。特别是在硅、砷化镓、铟镓砷或碲镉汞等传统探测器无法有效覆盖的红外光谱区域，FACE架构展现出独特优势。当前工作表明，无标记高速显微技术的未来，特别是在传统传感器表现不佳的光谱区域，很可能就在于单像素方法的发展方向。尽管仍存在分辨率提升等技术挑战，但这一突破性研究无疑为光学成像领域开辟了新的可能性边界。
