探测器光电特性对叠层相干衍射成像的影响

从叠层相干衍射成像的解析求解模型出发,通过在频域中将叠层相干衍射成像描述为待测样品与照明光空间频谱的线性方程组,将探测器的光电参数和线性方程组的个数以及每个方程的未知数个数直接关联.根据方程组存在唯一解的条件,从理论上定量分析叠层相干衍射成像对探测器采样间隔、靶面宽度、像元尺寸、灵敏度和动态范围等关键光电参数的要求以及图像重建所受影响.通过数值模拟,对理论分析和预测的正确性进行了数值验证,得出了参数不理想情况下叠层相干衍射成像仍能获得高质量重建像的物理机制,对于提高重建质量和改进实验装置具有直接促进意义.

叠层相干衍射成像算法发展综述

随着同步辐射技术的发展和光源相干性的提升,叠层相干衍射成像(ptychography)得到快速发展.叠层相干衍射成像算法解决了传统相干衍射成像算法收敛速度较慢、容易陷入局部最优解和算法停滞等问题,具有成像视场大、算法鲁棒性强、对误差容忍性高、应用范围广等优点,正成为相干衍射成像领域的热点研究方向.本文首先介绍了叠层相干衍射成像算法提出的背景;然后详细总结了叠层相干衍射成像算法的发展脉络、主要的算法流程以及应用场景,并且介绍了叠层相干衍射成像与人工智能结合的新算法及应用潜力;最后介绍了叠层相干衍射成像算法具体的并行化实现及常用软件包.本文有助于建立叠层相干衍射成像领域算法本身、人工智能以及计算方法全局研究视角,对于促进叠层相干衍射成像方法学的系统发展具有重要的参考意义.

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。

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。

基于X射线相干衍射成像的元素分布成像

基于上海光源软X射线谱学显微线站的特点和相干X射线衍射成像(CDI)技术,对软X射线相干衍射成像方法的一个重要应用:元素分布成像及含量分析进行了模拟研究。推导了CDI相比双能分析算法并进行了理论模拟,估算了能够分辨的最小物质含量,并分析了CDI实验噪声等因素对元素分布成像的影响。所得结果可对软X射线CDI的实际应用提供理论指导。

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。

部分相干衍射成像综述

相干衍射成像是一种对光源相干性要求非常高的无透镜计算成像技术.相干性包括时间相干性和空间相干性两方面,在很多实际场合具有理想相干性的光源很难获得.导致空间部分相干的因素主要有光源发光区域内各部分不同步的发光机制、检测器像素有限大小引起的非零宽度点扩散函数以及样品的不稳定性;而时间部分相干则是由光源的能量扩散引起,表现为扩展的发射光谱带宽.空间和时间相干性退化的直接结果是衍射图样的清晰度和可见度的降低,导致相干衍射成像中基于全相干模型构建的重构算法无法实现准确的物体波前重构.解决方法包括改良实验装置来直接提高光束的相干性,和通过优化相位恢复算法来补偿相干性退化的影响.基于Wolf的相干模表示方法和Nugent等建立的部分相干衍射成像理论框架,针对不同相干衍射成像技术中低相干性问题的各种解决办法相继被提出,总体历经了从需要提前测出照明光的空间相干特征(相干长度或者复相干因子)或者时间相干特征(光谱分布)到不需要任何已知光源相干特征的发展过程.本文重点介绍相干衍射成像的部分相干性理论、以及部分空间和部分时间相干光衍射成像中重构算法的研究进展.

上海光源硬X射线相干衍射成像实验方法初探

相干X射线衍射成像方法是一种先进的成像技术,分辨率可达纳米量级.国际上大多数的同步辐射装置和自由电子激光装置都建立了该成像方法,并有将其作为主要成像技术的趋势.上海光源作为目前国内唯一的一台第三代同步辐射光源,尚未建立基于硬X射线的相干衍射成像实验平台.随着一批以波荡器为光源的光束线站投入使用,使得该方法的建立成为了可能.本文基于上海光源BL19U2生物小角散射线站,通过有效的光路设计,搭建了相干衍射实验平台,在12 keV和13.5 keV能量点均获得了硬X射线相干光束,并基于小孔衍射测量了入射光束的空间相干长度.该平台支持常规和扫描相干衍射实验模式,对小孔衍射图样及波带片扫描衍射图样实现了正确的相位重建,证明了该平台初步具备开展硬X射线相干衍射成像实验的能力.硬X射线相干衍射成像实验平台为国内首次建立,将为国内该实验方法的发展和应用提供有效的软硬件支持.

基于平行平晶的三步相干衍射成像系统

传统单光束多强度重建(SBMIR)系统中,多次平移图像传感器所积累的误差导致光电成像系统的成像效果及有效分辨率降低,为了解决这一问题。本文提出基于平行平晶的三步相干衍射成像系统,采取插入或抽取2块平行平晶的方法获取3个不同的衍射面,实现了对复振幅型物体的成像及恢复重建。数值模拟及实验表明,系统有效克服了SBMIR系统中数次平移的误差积累问题,且仅需记录3个衍射面,避免过采样。而且光学系统实现简便、可重复性高。

不对称光阑对相干衍射成像缺陷检测效果的影响

微电子器件生产中的缺陷对于最终的产品质量是一个重大的关键因素。因此需要发展和提升一系列缺陷检测技术。无透镜的相干衍射成像技术提供了一种灵活的、高分辨的、无损的方式用于检测微电子器件的内部缺陷。然而在相干衍射成像中仍存在着一些问题。针对相位恢复过程中的孪生像问题提出了一种改变光阑形状的方法。仿真表明这种方法是可行的。仿真还表明这种改变光阑形状的方法有更快的收敛速度。不仅如此,这种新的改进对迭代过程中的光阑尺寸误差也不敏感。这将为相干衍射成像用于测量奠定技术基础。

相干衍射成像的相位复原及重建

相干衍射成像是一种对材料体密度敏感的超高分辨成像技术。相较于传统表面敏感的超高分辨成像技术,相干衍射成像利用了硬 X射线的强穿透能力,可以深入材料体内部进行成像,且成像分辨能力可以根据成像布局进行调整,最高达到原子级空间分辨能力。这种灵活的空间分辨调整依赖于相干衍射成像独特的相位复原技术,即通过对图像成像强度的过采样,利用含约束的迭代算法同时获得光场的强度及相位,进而对样品进行重建;同时结合图像定向及组合技术,相干衍射成像可以实现对样品的三维重建。本文主要从成像原理、复原算法和重建方法介绍相干衍射成像技术,并结合实验进展及模拟研究展示该技术在多种重建情形下具备的诊断能力,以期较为全面地给出相干衍射成像技术的发展趋势。

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。

基于高次谐波X射线光源的三维纳米相干衍射成像技术

相干衍射成像是近20年才发展起来的一种高分辨率计算成像技术.其原理是通过采集相干光照明时样品产生的衍射图样,使用相位恢复算法计算实现样品结构的三维(3D)成像.区别于传统成像技术,该技术具有多个显著优势:1)成像分辨率接近于照明光源波长;2)成像系统简单,无需使用成像镜头,成像系统通常由相干光源、样品和CCD组成;3)无相差、色差,极紫外光子利用率高:使用计算成像,避免了引入器件的折射、反射和吸收等效应造成的相差和色差以及光子利用效率下降.自上世纪末,基于大型相干极紫外和X射线光源的相干衍射成像技术发展迅速,已达亚纳米级分辨率.此后,随着飞秒激光高次谐波技术的成熟,相干极紫外和X射线光源的体积和成本大幅度降低,相干衍射成像技术得到进一步发展和推广.发展至今日,基于高次谐波的相干衍射成像技术已经成为一种有巨大应用潜力的纳米成像技术,为半导体材料和器件表面形貌、生物微结构及动态演化、半导体和量子器件的化学成分及浓度分布、物理或化学动态过程以及量子状态等领域的探测成像提供了一种有效的技术方案,并开始在高分辨率半导体检测领域中获得实际应用.相信不久的将来,基于高次谐波相干衍射成像技术将成为纳米量级显微成像技术的杰出代表,成为和现有的原子力、近场光学、X射线、电子以及隧道扫描等显微成像相媲美的主流技术.本文回顾了相干衍射成像及其照明光源技术的发展历程,介绍了相干衍射成像技术现状和发展趋势,然后说明高次谐波光源和相干衍射成像技术原理,最后重点介绍了几种可以利用高次谐波的高相干、短波长、短脉冲及梳状超宽谱特性的衍射成像技术:探针强度约束、反射模式、频闪照相、多模态叠层、单次曝光叠层、时间分辨多路复用叠层、角度扫描相敏成像等技术.

我国首次实现“水窗”波段相干衍射成像

2021年6月,活细胞结构与功能成像等线站工程暨上海软X射线自由电子激光装置调试工作连续取得突破性进展。继实现532 m X射线自由电子激光装置的全线调试贯通、带光运行后,该装置于6月21日凌晨首次实现了2.4 nm单发激光脉冲的相干衍射成像,获得了首批实验数据,并完成了对衍射图样的快速图像重建。

基于光栅分光法的相干衍射成像

提出一种可以通过单次曝光实现PIE(ptychographic imaging engine)成像的方法,该方法用正交光栅将入射细光束衍射为传播方向不同的子光束簇以对样品进行照明,并用CCD同时记录各个子光束所形成的衍射光斑阵列.该方法很好地克服了现有PIE方法的成像质量易受机械扫描误差影响和数据采集时间过长两个缺点,具有很好的实用价值.

基于周期阵列抽样孔的非迭代实时相干衍射成像

提出了一种从远场衍射强度图样实现实时相干衍射成像的迭代方法.该方法利用特殊设的周期正方阵列抽样针孔对待测物体的涅耳衍射场的波前进行抽样,用CCD录其远场衍射图样.算机中对其处理,可以直接从远场衍射图样的逆里叶变换中提取物波的抽样振幅数据,利用标量衍射理论对物体重现.因为该方法只需要对一幅远场衍射图样进行测量,避免了迭代算法,而且从理论上不需要透镜,它可以较广的波长范围内实现实时相干衍射成像.

基于菲涅耳衍射的无透镜相干衍射成像

相干衍射成像是一种新型的无透镜成像技术,在光学测量、显微成像和自适应光学等领域有重要应用.本文提出一种基于单幅菲涅耳衍射强度图样的无透镜相干衍射成像方法;该方法采用特殊设计的卷积可解阵列抽样屏,通过对抽样物波的菲涅耳衍射强度图样进行非迭代的逆菲涅耳变换和滤波等数字处理实现被测物波复振幅信息的恢复,最后通过数字衍射得到物体的数字再现像.文中对抽样孔径、衍射距离、图像传感器尺寸等参数对再现像的影响进行了理论分析和模拟实验研究.发现在针孔大小和记录孔径大小一定的条件下,存在一个最佳的衍射距离;衍射距离过大会给重建图样带来噪声,衍射距离过小则会使再现象的分辨率降低.文中还对抽样针孔大小对系统成像分辨率的影响进行了分析,为进一步开展相关实验研究和应用提供了理论依据.

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。

基于X射线相干衍射成像方法的微纳米梁变形场测量

微纳米结构在外加荷载下的变形场测量对于描述和预测微纳米结构力学性能、建立相关模型和理论具有重要意义。目前仍然缺少原位实时测量微纳结构变形场的实验方法,这对微纳米结构的力学性能研究形成了一定的制约。本文结合大规模MD(molecular dynamics,分子动力学)模拟和X射线CDI(coherent diffraction imaging,相干衍射成像)模拟,对通过X射线CDI方法准确测量微纳米结构变形场的可行性进行了验证。首先,通过MD模拟给出纳米梁结构在准静态加载和动态加载后的原子结构模型,然后使用X射线CDI模拟基于实验几何和探测器参数给出原子结构模型的二维X射线相干衍射信号。对得到的相干衍射信号进行二维图像重建,提取出位移场,并与从原子构型提取的位移场进行对比,从而实现对该方法准确性的验证。结果表明,通过X射线CDI获得微纳米结构变形场方法的是可行的,且具有较高的精度。该方法为通过变形场进一步提取微纳米结构纳米尺度的表面特性,如表面杨氏模量和残余表面应力提供了可行方案。

非相干照明条件下的ptychographic iterative engine成像技术

在传统多波长相干衍射成像理论的基础上提出适用于X-射线和电子束等非相干光源照明成像的改进多波长ptychographic iterative engine方法,同时将小孔形状和照明光谱信息用于叠代计算,可以在非相干照明条件下精确重建出物体的强度透射像和相位透射像,并对光源带宽对重建精度的影响进行了分析,对于解决如何在非相干照明条件下对大尺寸物体进行精确相位成像的问题具有较好的科研和实用价值.