基于空間時間正則化的運動解析、無需參考的全息成像技術：開啟動態成像新時代

    全息成像技術作為一種能夠同時記錄光學場振幅和相位的強大技術，已經在生物醫學分析、計量學以及相干衍射成像等多個領域展現出巨大的應用潛力。然而，傳統的全息成像技術依賴于參考波，這不僅增加了實驗的復雜性，還對實驗設備的穩定性提出了極高的要求。為了克服這些限制，無參考全息成像技術應運而生。但長期以來，無參考全息成像面臨著成像精度與時間分辨率之間的固有折衷，這一難題一直困擾著研究人員。最近，一種名為“空間時間正則化反演”（STRIVER）的通用計算框架的提出，為這一難題帶來了新的曙光。

    空間時間正則化反演（STRIVER）框架

    STRIVER框架的核心在于利用空間時間域中的信號先驗知識，共同消除相位模糊和運動偽影。該框架通過結合多樣性測量方案，從一系列僅強度測量中產生物理上可靠的、時間分辨的全息視頻。與傳統方法不同，STRIVER不再將樣本的時間平穩假設和空間域特征分開處理，而是利用整個全息視頻的時空特性來調節重建問題。這種方法不僅能夠實現高精度的運動解析，還能保持與單次成像方法相同的時間分辨率，從而為動態場景的成像提供了全新的解決方案。

    在技術實現上，STRIVER框架通過引入空間時間總變分（TV）函數作為促進稀疏性的先驗，重新定義了全息重建問題。正則化參數的靈活調整使得該框架能夠適應不同動態場景，從而在處理復雜樣本時表現出色。例如，當正則化參數取特定值時，STRIVER可以退化為傳統的單次相位檢索算法或基于靜態樣本假設的多樣性相位檢索算法。這種靈活性使得STRIVER在實際應用中具有廣泛的應用前景。

    實驗驗證：從模擬到活體成像

    為了驗證STRIVER框架的有效性，研究人員首先通過模擬實驗進行了定量分析。在模擬實驗中，研究人員使用了具有隨機二進制幅度傳輸的擴散器進行波前調制，并引入了平移和旋轉的動態樣本。實驗結果表明，當正則化參數取適度值時，STRIVER能夠獲得全局最優的重建結果。這一結果不僅證明了STRIVER在處理動態樣本時的優越性，還展示了其在不同參數組合下的穩定性和可靠性。

    在實驗驗證方面，研究人員進一步通過活體變形蟲的成像實驗展示了STRIVER的實際應用效果。活體變形蟲的高速、非剛性運動使得其成為動態成像的理想樣本。實驗結果表明，與傳統的單次曝光方法和僅依賴空間域稀疏性進行正則化的傳統重建算法相比，STRIVER在高保真度和高時間分辨率方面表現出顯著優勢。通過利用樣本場中的時間相關性，STRIVER能夠在空間時間切片中清晰地可視化樣本的動態變化，為生物醫學研究提供了更為精確的成像工具。

    未來展望：拓展應用與性能提升

    STRIVER框架的提出為無參考全息成像技術的發展帶來了新的突破，為相關領域的研究提供了新的思路和方法。未來，隨著技術的不斷進步和優化，STRIVER有望在更多的測量方案、譜域以及計算成像模態中得到應用，從而進一步推動全息成像技術的發展。例如，通過用能夠捕捉長時間尺度空間時間特征的高級時空先驗替換當前的總變分正則化器，STRIVER的性能可能會得到進一步提升，從而在降低硬件需求的同時提高重構質量。

    此外，STRIVER框架的靈活性和可擴展性也使其在大規模實驗數據集上的應用成為可能。研究人員可以通過調整正則化參數和優化算法，使其適應不同的實驗場景和樣本類型。這種適應性不僅能夠滿足多樣化的研究需求，還為全息成像技術在生物醫學、材料科學以及其他領域的廣泛應用奠定了堅實的基礎。