同步辐射X射线光斑信息对扫描相干衍射成像的影响

本文采用拓展重叠关联迭代引擎算法,系统地模拟研究了X射线光斑尺寸、扫描点数及波前形貌对扫描相干衍射成像重建图像质量的影响。结果表明,在实际入射光斑尺寸不易确定时,算法中初始猜测光斑尺寸可以由模拟入射光斑最大光强值的1%对应边界确定。对物体进行扫描时,入射光斑个数大于7×7且重叠度优于70%可以重建出较好的图像。入射光斑的振幅和位相分布对重建图像质量也有着显著影响。

X光发散度对多切片扫描相干衍射成像质量的影响

扫描相干衍射成像(Ptychography)技术目前已得到大范围的应用,获得了巨大成功。基于Ptychography的三维成像技术也得到了快速发展,在生物和材料领域的研究中得到了成功应用。常规的Ptychography三维成像技术仍是基于多角度投影的计算机断层成像技术,具有成像效率低、辐照剂量大的缺点。最近出现的多切片三维Ptychography成像方法,为高效低剂量的三维成像技术开辟了新的道路。为了进一步改善多切片方法的重建效率和图像质量,本文在优化迭代算法中驰豫系数的基础上,通过模拟计算系统地研究了入射X射线的发散度对多切片方法重建效果的影响。结果表明:入射X射线的发散度越高(数值孔径越高),多切片方法图像迭代重建的收敛越快,图像的重建质量也更好;而选择较小的入射X光发散度则不利于三维成像的高质量重建。该结论对于相关成像实验中聚焦光学的选择和设置具有重要的指导意义,如选择聚焦尺寸更小的波带片或较低的入射X射线能量,将更有希望获得好的多切片成像质量。

相干衍射成像研究进展:叠层扫描相干衍射成像和相干调制成像

相干衍射成像技术是一种无透镜计算成像技术。该技术通过迭代算法求解相位问题,直接从衍射强度数据重构物体的振幅和相位图像信息,可获得由照明光源波长和数据记录有效数值孔径决定的衍射极限分辨率。由于相干衍射成像技术不依赖于高质量光学成像元件的使用,因而适合用于深紫外、X射线以及电子束等诸多很难制作高性能成像器件的辐射源。过去20年来新型光源(冷致电子枪、第三代和第四代同步辐射光源、自由电子激光器)、单粒子计数高灵敏度、宽动态范围面阵检测器的迅猛发展,也极大地促进了相干衍射成像技术的发展。目前相干衍射成像在材料科学和生物学等热门学科方向上已经显示出了相较传统方法的独特优势,在部分应用上已经逐渐成为主流技术。文中概略回顾相干衍射成像的发展历史。重点介绍叠层扫描相干衍射成像和相干调制成像这两种快速发展的技术。

动量加速方法提高层叠衍射成像的质量

X射线层叠衍射成像技术(Ptychography)所采用的图像重建迭代算法是一种传统的梯度下降算法。该算法从一组猜测函数开始,实验中探测到的正确信息被不断代入循环迭代中来修正猜测函数,最终达到收敛。这种算法存在一个问题就是容易出现收敛停滞的现象,也就是所谓的陷入局域最小值。造成这种现象出现的原因是局域最小值附近的梯度极小导致梯度下降的幅度极小。为了解决这一问题,最近"动量"这一概念被引入Ptychography算法中,产生了动量加速层叠衍射迭代引擎(momentum Ptychographical Iterative Engine,mPIE)算法。加入"动量"相当于给迭代重建过程赋予了"惯性"性质,当前梯度下降的幅度不仅由当前梯度决定,还会受到之前变化的幅度影响。所以即便是在梯度极小的局域最小值附近,目标函数仍然可以跳出停滞,继续变小。为了验证"动量"的引入对图像重建的提升效果,详细比较了动量mPIE算法和传统的拓展层叠衍射迭代引擎(extending Ptychographical Iterative Engine,e PIE)算法对同一套扫描相干衍射成像实验数据的重建图像质量。重建结果表明:相对于传统重建算法,动量加速算法可以获得更好的图像重建质量。

噪声对相干衍射成像重构物体图像的影响

为探究噪声对物体图像重构的影响,在模拟的衍射图中加入泊松噪声和高斯噪声。改变信噪比,分析了扩展叠层扫描迭代算法迭代50次的图像重构结果。发现信噪比低于6时无法重构物体图像,信噪比为18时,可以恢复透射率为50%的物体图像。信噪比为22时,可以恢复透射率为10%的物体图像。结果表明噪声对透射率低的物体图像影响更大。信噪比大于22时噪声对不同透射率物体图像的重构均不再有影响。此研究为相干衍射成像算法的实际应用提供了理论指导。

中心挡板对扫描相干X射线衍射成像的影响

本文采用重叠关联迭代引擎算法,系统地模拟研究了扫描相干衍射成像中中心挡板导致的低频信号丢失对重建图像质量的影响.结果表明,扫描相干衍射成像对中心挡板的承受能力远大于平面波单次相干衍射成像,且选择小尺寸入射探针和较高重叠度(70%)可进一步降低中心丢失信号对扫描相干衍射成像的负面影响.另外,光斑扫描位置误差在重叠度较高时将超过中心挡板成为扫描相干衍射成像最主要的负面影响因素.本文研究结果对扫描相干衍射成像实验中如何应用中心挡光板具有重要的指导意义,将有助于进一步提高扫描相干衍射成像的分辨率.

扫描相干衍射成像背景噪声分离算法研究

X射线扫描相干衍射成像(ptychography)是一种新型的无透镜成像方法,摆脱了传统透镜成像中聚焦元件对分辨率的限制,使理论分辨率只受到X射线波长和探测器数值孔径的限制。然而实验测量中的噪声限制了该方法对成像质量的改善,甚至最终导致图像重建失败。在研究了ptychography现有的相位恢复迭代算法后,本文提出了一种新型的图像重建迭代算法。该算法利用ptychography数据的高冗余性,通过梯度下降最小化技术,在重建样品和探针图像的同时还完成了背景噪声的同步迭代重建,实现了信号和噪声的盲分离功能。通过仿真模拟和实验数据重建,将该方法与传统的迭代算法进行了对比,结果表明新算法能够较好地实现信噪分离,显著提升ptychography的成像质量。

利用混合态分解算法提高重叠关联成像的质量

X射线重叠关联成像技术所采用的常规相位恢复迭代算法均把入射光视为完全相干的单色光(即单态入射光),把样品视为稳定平衡的(即单态样品),把实验过程中成像系统内所有光学元器件的响应视为固定不变的。然而在实际实验中,上述三个条件很难得到同时保证。在非理想的实验条件下,任何单态条件发生变化或者出现多重态混合,其造成的退相干效应均会使衍射图样变得模糊,严重降低利用单态相位恢复迭代算法获得的重建图像质量。为了消除各种来源的混合态效应的负面影响,本文利用多模式拓展重叠关联迭代引擎算法(Mm-e PIE)和子像素上采样拓展重叠关联迭代引擎算法(Us-e PIE)这两种不同的混合态分解算法对实验数据进行处理。重建结果表明,不同来源的混合态效应(退相干效应)的分解结果在重建探针函数和重建样品函数中均得到了体现,两种混合态分解算法均能够显著改善重建图像的质量。其中多模式算法Mm-e PIE在消除入射探针的非相干效应方面更胜一筹。

Ptychography相位成像及其关键技术进展

Ptychography是近些年快速发展起来的一种新型相位恢复技术,通过对待测样品以小于照明光直径的步长扫描后,利用迭代计算可以重建出照明光和样品复振幅分布,是一种理论分辨率为衍射极限的非透镜相位成像技术。虽然其提出初期受限于基本假定条件,但近些年随着相关研究的跟进,人们对Ptychography算法特性的理解逐渐深入,算法也日趋成熟,在可见光、X射线和电子束等领域已被广泛应用于相位成像、波前诊断和光学计量,因此针对影响重建过程和精度的关键因素,如模态多样化、扫描误差、光斑误差、距离误差、样品厚度不可忽略等进行了总结,并讨论了针对上述问题的关键技术进展。