数字全息技术是一种强大的三维成像技术，可以从记录的干涉图案中重建振幅和相位信息[1]、[2]。它能够快速、非接触式且无损地获取光学信息，因此被应用于变形分析[3]、[4]、生物医学成像[5]和显微镜技术[6]。在各种配置中，数字全息显微镜（DHM）特别适用于微尺度的高分辨率无标记成像。然而，DHM的性能从根本上受到传感器有限像素阵列的限制，这导致了空间分辨率和视场（FOV）之间的权衡。因此，克服分辨率-FOV之间的限制是开发下一代DHM的核心挑战。
为了解决这一限制，研究主要采取了三种策略：以传感器为中心、基于扫描和基于复用的方法。以传感器为中心的方法，如增加像素数量，面临制造技术和成本的挑战。基于扫描的方法[7]通过机械扫描拼接多个子图像来扩展FOV，但本质上速度较慢且容易产生运动伪影，不适合动态样本。基于复用的方法[8]、[9]、[10]将多个区域的信息编码到单个全息图中，从而实现单次拍摄即可扩展FOV并保持分辨率。因此，光学复用受到了特别关注。
为了在单个全息图中编码多个物体区域，人们广泛探索了分束元件和全息架构。例如，Varghese等人[11]引入了无透镜循环剪切干涉技术，但其可用FOV仅限于一个小的重叠区域。其他方法，如基于菲涅尔镜和光束折叠的DHM[12]、[13]、[14]，虽然实现了FOV的扩展，但需要复杂的光学对准，这影响了长期稳定性。基于透镜的配置[15]、[16]缓解了一些限制，但引入了系统体积和额外的像差。计算策略[17]、[18]可以提高分辨率，但并不能从根本上克服传感器尺寸的限制。此外，一些报道的架构[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]依赖于定制的光学组件，这在设计和实现上都带来了挑战。
此外，光栅在DHM中得到了广泛应用，提供了一种紧凑且高效的选择。衍射相位显微镜（DPM）是一种常见的共路DHM[25]，它使用光栅生成参考光束和物体光束，选择0阶和+1阶衍射，从而在传感器的FOV内产生稳定的干涉。Hao等人[26]开发了一种双窗口同步相移方案，利用光栅阶数之间的相位差实现单次拍摄的全息成像。但传感器的可用FOV减少到了1/3。Zhong等人[27]提出了一种双窗口离焦光栅DPM，实现了略微离轴的全息记录，但FOV减少了一半。此外，最近的研究中还使用光栅来扩展FOV。光谱分离离轴全息技术可以将有效FOV扩展到四倍[28]，但需要严格的光束收敛控制以满足相邻物体波的角度要求。Han等人[29]使用双一维光栅和针孔滤波来扩大成像范围，但这需要严格的对准公差并增加了复杂性。Lee等人[30]用光栅替换了镜子，构建了一个反射式离轴DHM，在多波长照明下实现了FOV的双倍扩展，但增加了系统体积和多源同步的复杂性。其他研究[31]将光栅衍射与光谱复用结合使用，但通常需要将光栅放置在样品附近，这与某些样品不兼容且对对准要求很高。这些问题限制了它们在生物学和大规模成像中的应用。
尽管取得了这些进展，仍然非常需要一种简单、稳健且紧凑的单次拍摄FOV扩展技术，该技术能够避免严格的对准、光栅与样品的近距离接触以及显著的FOV减少。在本文中，我们提出了一种基于透射光栅的离轴DHM来扩展FOV。放置在4f系统焦平面附近的光栅生成三个衍射光束（-1阶、0阶、+1阶），每个光束编码同一物体的不同区域。这些光束与共享的参考波干涉，产生一个空间复用的全息图。这种配置实现了单次拍摄的三倍FOV扩展，同时放宽了对准要求并避免了光栅与样品的近距离接触。此外，我们引入了一种基于复振幅分割的重建算法[32]、[33]，该算法在重建过程中自动校正了相位倾斜和系统像差。这消除了手动背景减法和载波去除的需要，从而简化了相位恢复过程。所获得的系统紧凑、稳定，并能够实现高保真度的宽场全息成像。
