多波长同时照明的菲涅耳域非相干叠层衍射成像

传统的叠层衍射成像往往采用单波长照明,即使使用多波长来提升恢复质量也是采用依次照明的方式,同时对相干性要求很高.非相干光照明一直被认为不利于衍射成像.本文提出了一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方案及相应的多路复用叠层衍射成像算法,并通过仿真和实验验证了该方案的可行性.相比于传统的相干叠层衍射成像方案,该方案不仅能够很好地恢复物像,同时也能够恢复不同波长下分别对应的物体的光谱响应、复振幅探针和光谱比例,从而获得更多的物体信息,具有多通道和多光谱的优势.同时,通过彩色图像编码的方式,能够实现物体的真彩色复原和图像质量的增强.此外,还证明了该算法具有很强的鲁棒性,研究了最多可分辨波长的数量.该研究结果为叠层衍射成像技术的信息多路复用及多光谱成像在更多领域的应用展现了可能性.     

被散射介质遮挡目标的相干衍射成像实验

激光照明条件下,可以利用相干衍射成像方法重建被照明物体的清晰图像。按照传统方法,若物体被散射介质遮挡,则需要提前标定或者引入全息实验中使用的参考光才能重建清晰的图像。我们提出了一种线性模型,即使存在散射层的干扰,仍旧能够通过实验获得的功率谱重建被遮挡物体,而无需预先标定。实验结果表明,该方法利用傅立叶变换的精确功率谱图像可以快速收敛至唯一正确的重构解,重建隐藏物体的清晰图像。     

基于傅里叶叠层显微成像术的定量相干传递函数恢复（英文）

研究了在不同系统误差和不同目标算法下相干传递函数的重建质量,发现相干传递函数的重建比物体的重建更稳健。基于此,报道了一种用于傅里叶叠层显微成像术的子区域平移方法,以加速有限图像下的相干传递函数重构收敛速度,消除由周期性照明光源阵列引起的栅格噪声,实现图像的重聚焦,并使用相干传递函数去卷积提高图像的对比度。此外,研究了傅里叶叠层显微成像术的空域和频域数据冗余来恢复相干传递函数,发现至少需要大约40%的频谱交叠率来精确重建相干传递函数,比无像差条件下高出10%,为了相干传递函数的稳定性需要至少25张原始低分辨率图像。最后,讨论了稳定的相干传递函数重建所需的条件,并通过模拟和实验进行了验证。     

基于光栅相衬成像的扇束螺旋CT重建算法

X射线相位衬度成像具有极高的灵敏度,能探测到轻元素样品的内部结构,在医学、生物学和材料科学等众多领域显示出良好的应用前景。光栅成像模式可使用非相干光源进行X射线相位衬度成像,开创了非相干光源相衬成像新纪元。将螺旋CT的概念引入光栅相衬成像领域,将螺旋CT的高效率优势与光栅相位成像的高衬度优势相结合,发展X射线螺旋相位CT方法。通过分析螺旋轨迹非相干光源相位成像的特点,提出一种扇形束螺旋条件下的相位信息提取方法;而后借鉴希尔伯特滤波反投影重建算法的思想,得到扇形束螺旋相位CT重建算法。该算法利用折射角像直接重建物体的相位项。计算机仿真实验证明了该算法的有效性。     

彩色漫射物体的压缩全息层析成像

漫射物体的压缩全息利用其非相干散射密度函数在统计意义上满足稀疏先验这一假设,可以从多幅散斑图案实现漫射物体的层析重建,避免了散斑和不同平面的散焦图像之间的串扰。将单波长照明条件拓展到红、绿、蓝三色波长,提出一种新的适用于彩色漫射物体的压缩全息层析成像方法,搭建多波长照明条件下漫射物体的层析成像模型,并通过解压缩推理方法有效地分离不同平面的三维非相干密度函数。数值模拟实验表明,所提方法可以在多幅二维彩色散斑图案中成功进行彩色层析漫射物体的压缩重建,有效地抑制了散斑效应以及不同平面的散焦图像之间的相互串扰。     

部分相干成像的光学传递函数

本文给出在准单色光照明下,部分相干和非相干成像光学传递函数新的计算方法。从基尔霍夫衍射积分出发,引进准波前像差,并在菲涅尔近似下给出点像振幅分布,对照明光源不作匹配限制,计算公式简明,准相干度（ 不同于传统的相干度） 容易计算。利用分片多项式插值计算准波前像差,从而可实现变形成像ＯＴＦ 的计算     

无衍射光束提高成像系统分辨率

设计了一种在非相干光源下利用轴棱锥产生的无衍射光束成像系统.基于衍射积分理论与点扩散函数推导出成像系统分辨率的表达式,利用光学软件对无衍射光束成像系统的初始结构模型进行仿真,并以蓝光LED作为光源,将条纹状物体、透镜组以及轴棱锥等光学元件组合为成像系统进行实验.结果表明:实验结果与理论分析相符,即非相干光源无衍射Bessel光束成像系统利用无衍射光束的特性能够提高成像分辨率.     

相干X射线衍射成像三维重建的数字模拟研究

利用相干X射线衍射成像“过采样”采集样品的远场相干衍射图样, 结合相位重建迭代算法重建物空间样品信息. 三维重建过程中, 边界约束条件是相位重建算法中最为关键的部分. 本文采用数字模拟的方法, 利用灰度值图像作为物空间的样品, 研究并实现了边界条件的自动寻找, 重建结果显示比以往采用较“松”的边界约束更为精确. 利用噪声模拟方法, 研究了衍射图样中不同噪声类型的滤除对重建结果的影响. 研究发现传统的去噪方法在高噪声情况下不能直接应用于相干X射线衍射成像, 并找到了适用于相干X射线衍射成像噪声滤除的有效方法. 研究表明, 此方法能非常有效地降低噪声对重建结果的影响. 利用模拟三维纳米金颗粒作为样品, 完成了对纳米金颗粒中电子密度分布的三维重建, 在有随机噪声的影响下, 也得到了很好的重建结果, 并找到了成功实现三维重建的噪声限为信噪比不低于27. 关键词： X射线相干衍射成像 过采样 三维相位重建 显微成像     

基于波面分割及多平面相位恢复的定量相位成像技术

提出了一种基于微透镜阵列分割波前及多平面相位恢复的定量相位成像技术。针对大动态范围的相位物体实现定量相位成像,该技术同时施加了横向波面分割、轴向多衍射平面和多波长照明三种约束。该技术记录了两种不同波长照明下,微透镜阵列焦面附近不同衍射距离的强度分布图,采用多平面相位恢复算法提取透过相位物体的数字复振幅光场,通过双波长数字复振幅光场相位提取算法,实现了大动态范围下的相位物体成像。数字仿真实验中,在640 nm和685 nm的照明下,对相位变化范围大、结构复杂的相位物体进行了模拟仿真,结果表明,该技术可以高效、便捷地实现高精度相位成像。     

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。     

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. 关键词： 相干衍射成像 相位恢复 显微成像 迭代算法     

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.     

A general phase retrieval algorithm based on ptychographicaliterative engine for coherent diffractive imaging

Coherent diffractive imaging (CDI) is a lensless imaging technique and can achieve a resolution beyond the Rayleigh or Abbe limit. The ptychographical iterative engine (PIE) is a CDI phase retrieval algorithm that uses multiple diffraction patterns obtained through the scan of a localized illumination on the specimen, which has been demonstrated successfully at optical and X-ray wavelengths. In this paper, a general PIE algorithm (gPIE) is presented and demonstrated with an He-Ne laser light diffraction dataset. This algorithm not only permits the removal of the accurate model of the illumination function in PIE, but also provides improved convergence speed and retrieval quality.     

Phase retrieval using an aperture-array filter under partially coherent illumination

Recently we have proposed a deterministic phase retrieval method using an aperture-array filter to reconstruct a complex-valued object from a single diffraction intensity pattern. We describe here the effect of quasi-monochromatic partially coherent illumination on the object reconstruction by the phase retrieval method, and then present the method of eliminating the effect of the partially coherent illumination from the diffraction intensity pattern via a simple Fourier deconvolution operation provided that the complex degree of spatial coherence of the illuminating beam is known. The usefulness of this method is shown in computer-simulated examples of the object reconstructions under Gaussian Schell-model partially coherent illumination.     

Influence of the illumination coherency and illumination aperture on the ptychographic iterative microscopy

While ptychography is an algorithm based on coherent illumination,satisfactory reconstructions can still be generated in most experiments,even though the radiation sources that are used are not ideally coherent.The underlying physics of this phenomenon is that the diffraction patterns of partially coherent illumination can be treated as those of purely coherent illumination by altering the intensities of the diffracted beams relative to their real values.On the other hand,due to the inconsistency in the altering interference among all the diffraction beams,noise/distortion is always involved in the reconstructed images.Furthermore,for a weak object,the noise/distortion in the reconstruction can be mostly reduced by using a highly curved beam for illumination in the data recording and forcing the dark field diffraction to be zero in the reconstruction.     

Capabilities of using white x-rays for the reconstruction of surface morphology from coherent reflectivity

We present a new method to reconstruct the surface profile of a sample from coherent reflectivity data of a white x-ray beam experiment. As an example the surface profile of a laterally confined silicon wafer has been reconstructed quantitatively from static speckle measurements using white coherent x-rays from a bending magnet in the energy range between 5 < E < 20 keV. As a consequence of using white radiation, speckles appear in addition to the Airy pattern caused by scattering at the entrance pinhole. Nevertheless, the surface profile of a triangularly shaped specimen was reconstructed considering sufficient oversampling between the beam-footprint and the effective sample width. For the profile reconstruction the Error-Reduction phase retrieval algorithm was modified by including the spectral illumination function and a Fresnel propagator term. The simultaneous use of different x-ray energies having different penetration depth provides information on the evolution of the surface profile from the near-surface towards the bulk. The limitations of present experiment can be overcome using white or pink radiation from a source with higher photon flux.     

Phase imaging with rotating illumination

A modified extended-ptychographical-iterative-engine （ePIE） algorithm is proposed to overcome the dis- advantages of ePIE technique and reduce the influence of stage hysteresis or backlash error. The exit wave of a rotatable ＂screen＂ illuminated by plane wave is used as the illumination on the specimen, and the complex transmission functions of the rotatable object and specimen can be simultaneously reconstructed. Compared with the standard x - y scanning PIE algorithm, the proposed algorithm can completely avoid the influence of stage hysteresis （or backlash error）. The proposed algorithm also has higher convergence s!oeed and better accuracy than the standard PIE algorithm.     

基于旋转相位编码与照明光束匹配的叠层衍射成像算法研究

在传统的叠层成像算法中引入一种旋转相位编码与照明光束相匹配.采用分块均匀分布的旋转相位调制器对衍射光进行调制,在探测面获得了相应的衍射图样.这种照明光束与相位匹配的方式有效地增加了解的约束条件,具有收敛速度快、抗噪声及抗位置偏差能力强等优点.与随机相位调制相比,本算法所引入的旋转相位调制器构造简单、使用便捷,因而在实时显微成像、超分辨成像等领域将具有更高的实用价值.     

可见光域叠层成像中照明光束的关键参量研究

研究了可见光域叠层成像中照明光束的系列关键参量对成像质量的影响. 利用叠层成像迭代恢复算法,通过模拟实验研究了照明光束的交叠率、光束尺寸以及几何形状对成像恢复质量的相互制约关系. 模拟结果表明,光束的交叠率是影响成像恢复质量的主要因素,光束的形状主要影响成像的收敛速度,而光束尺寸对成像的恢复质量以及收敛速度直接影响较小. 因此,通过模拟可以对可见光域、X 射线以及电子波段等其他波段的实验进行系统优化照明光束参数起到一定的理论指导作用. 关键词： 相干衍射 叠层成像 相位恢复