上海光源X射线成像及其应用研究进展

作为具有国际先进水平的第三代同步辐射光源,上海光源的X射线亮度比普通X光管高12~16个量级,基于它的X射线成像具有高空间分辨、高衬度分辨和快时间分辨的特点,同步辐射X射线可对样品实现原位、无损、高分辨、三维和动态成像,而且可以实现相位衬度成像,从而将X射线成像的应用领域拓展到软组织、聚合物等低Z材料。自2009年正式向用户开放以来,上海光源已在生物医学、材料科学、古生物学、土壤学等领域取得了一大批重要研究成果。为更好地支持用户,上海光源X射线成像组在定量成像、CT成像、快速CT重构等成像方法学领域开展了较为全面、系统的研究,大幅提高了实验效率和对不同样品的适应性。本文简要介绍了上海光源X射线成像方法学发展及相关应用研究进展。     

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.     

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。     

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     

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.     

掩模衍射频谱轴向分量对光刻成像性能的影响EI北大核心CSCD

传统三维光刻矢量成像模型中将投影系统物方电磁场表示为二维形式,实现方式分为两种:采用局部坐标和忽略掩模衍射频谱的轴向分量。后者在浸没式光刻系统仿真中的适用性需要进一步分析。简述了忽略掩模频谱轴向分量的矢量成像模型和引入该分量的全光路三维光刻矢量成像模型,利用这两种模型和商业仿真软件,研究了掩模衍射频谱轴向分量对光刻胶中成像特征尺寸的影响并对结果进行了讨论。研究结果表明,相干照明和部分相干照明条件下,掩模衍射频谱轴向分量对光刻成像的影响随着数值孔径的变化趋势存在较大差异。这说明相干照明下的分析结论并不适用于部分相干照明条件,且只有全光路三维矢量成像模型才能满足浸没式高分辨光刻仿真的要求。     

X射线相衬成像光子筛

基于 Zernike相衬成像原理和光瞳切趾原理,提出一种将相位板和切趾光子筛集成为一个相衬显微物镜的 X射线相衬成像光子筛的设计方法.这种 X射线相衬成像物镜可以实现生物体组织或者其他弱吸收材料的高分辨率和高衬度成像.通过优化光子筛透镜的衍射结构,可以抑制成像系统的点扩展函数的旁瓣和消除高阶衍射焦点,从而提高成像分辨率;另外,将光子筛透镜和变相板合为一体,克服了成像透镜和变相板难以对准的缺陷.以高斯切趾光子筛为例,实验验证了设计方法的可行性. 关键词： X射线显微技术 相衬成像 光瞳切趾 光子筛     

相干X射线衍射成像的数字模拟研究

相位重建是实现X 射线相干衍射成像的关键, 它利用远场采集的样品傅里叶相干衍射花样、结合过采样理论,再采用迭代算法复原样品的相位信息. 文中采用数字模拟的方法, 利用小尺寸二维非周期性图形作为物场, 研究了过采样比对重构结果的影响, 研究发现, 迭代次数为1000 次时最佳过采样比的范围是3—7 之间. 利用噪声模拟方法, 研究了噪声对相位重建的影响, 找到了完成相位重建的噪声限是信噪比不能低于10. 分析了重构结果中孪生像以及随机平移的产生原因, 并给出了相应的解决办法, 结果表明, 此方法可有效地提高重构图像的质量. 关键词： 相干X射线衍射成像 过采样 相位重建算法 显微成像     

利用X射线相衬显微研究野山参的特征结构

利用X射线的空间相干特性,可实现低Z介质内部结构的高衬度成像.人参主要由碳、氢、氧、氮等轻元素组成,原则上可以利用相衬成像来实现其特征结构的无损成像.由于具有更高的相干通量,利用第三代同步辐射光源成像可获得更高的时间和空间分辨,可用于研究更高分辨的人参特征显微结构.本文利用新建成的上海光源,较为系统地研究了野山参的显微特征结构.作为比较,给出了相应的园参特征结构,并与野山参进行了比对、分析.发现了一种未曾报道过的结构,这很可能是一个新的人参特征结构.研究结果表明,X射线相衬显微有望成为野山参鉴定的一种新的手段. 关键词： X射线相衬显微 同步辐射 显微鉴定 人参特征结构     

X射线成像技术在医学中应用

文章介绍了在医学中广泛应用的二维X射线摄影屏一胶片系统及三维计算机断层扫描成像技术。并对二维X射线摄影技术的发展，例如数字减影血管造影（DSA），计算机放射成像（CR）和直接数字化X射线摄影（DR）以及三维成像新技术，如螺旋计算机断层扫描技术（螺旋CT），正电子发射体层／多层螺旋CT图像融合扫描装置（简称PET-CT）和相位衬度成像技术的原理和应用作了简单描述。医学图像后处理是现代医学图像设备不可或缺的组成部分，先验医学知识的融入使现代图像设备具有辅助诊断的能力。     

激光跟瞄仿真系统及两种跟瞄方法

基于OpenGL和大气传输光学分析的3维全数字仿真是激光跟瞄系统的重要研究手段。为提高跟踪和瞄准精度,从激光跟瞄仿真系统整体出发,研究了目标成像中的投影变换、成像与跟踪的关系、高精度跟踪现有算法的控制过程仿真等内容,并提出了基于大视口、目标大气传输图像序列的跟瞄仿真技术。说明了仿真系统中跟瞄精度分析的特点。就某仿真场景,设计了"头部顶点"和"两点提取"两种跟瞄方法,在不同大气湍流条件下得到了它们的跟瞄精度,说明应用该激光跟瞄仿真系统,能够预先设计、测试和验证一些跟瞄方法,帮助进行算法分析和改进,从而提高工作效率和节约成本。     

Modeling and analysis for the image mapping spectrometer

The snapshot image mapping spectrometer(IMS) has advantages such as high temporal resolution,high throughput,compact structure and simple reconstructed algorithm.In recent years,it has been utilized in biomedicine,remote sensing,etc.However,the system errors and various factors can cause cross talk,image degradation and spectral distortion in the system.In this research,a theoretical model is presented along with the point response function(PRF) for the IMS,and the influence of the mirror tilt angle error of the image mapper and the prism apex angle error are analyzed based on the model.The results indicate that the tilt angle error causes loss of light throughput and the prism apex angle error causes spectral mixing between adjacent sub-images.The light intensity on the image plane is reduced to 95%when the mirror tilt angle error is increased to ±100 "(≈ 0.028°).The prism apex error should be controlled within the range of 0-36"(0.01°)to ensure the designed number of spectral bands,and avoid spectral mixing between adjacent images.     

Head and body imaging by hydrogen nuclear magnetic resonance

A hydrogen (¹H) nuclear magnetic resonance (NMR) imaging study of the normal head, thorax, and limbs is reported. The images are 10 to 15 mm thick transverse slices obtained in 2 to 4 min using a two-dimensional Fourier transform technique. Spatial resolution in the imaging plane is about 2 mm, enabling the optic nerve and many small blood vessels to be observed. Thorax scans show details of the cardiac chambers, aorta wall, and lungs without artefacts arising from physiological motion.     

光学合成孔径成像技术及发展现状

基于干涉成像理论介绍了合成孔径成像技术原理。分别从成像过程、成像特性、视场大小、适用范围等方面对迈克尔逊型和菲索型两种合成孔径成像系统做了对比,重点介绍了这两种类型合成孔径望远镜在地基系统和天基系统上的应用、发展现状及发展趋势,指出迈克尔逊型合成孔径望远镜将会向着长基线、复杂基线结构的方向发展,而菲索型合成孔径望远镜则会向着复杂孔径排列结构的方向发展,以组成等效孔径为其子孔径几倍甚至几十倍的系统。与传统光学系统相比,合成孔径系统具有分辨力高、镜面加工难度小、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨力光学成像的一种有效途径,幸运成像、分布发射与在轨装配、无支撑薄膜望远镜等各种新技术都可以引用到合成孔径技术中来。     

干涉型计算层析成像光谱仪的实现方法

提出了一种干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)原理及实现方法。CTII把空间调制式傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理巧妙结合,因此整个系统在原理上具有高灵敏度、高光谱分辨率,以及高空间分辨率。分析和讨论了CTII的工作原理,给出了一种实用CTII的光路结构;对典型目标的投影图像进行实验,实验结果验证了本方法的可行性。     

Simple data acquisition method for multi-dimensional EPR spectral-spatial imaging using a combination of constant-time and projection-reconstruction modalities

A combination of the constant-time spectral-spatial imaging (CTSSI) modality and projection-reconstruction modality was tested to simplify data acquisition for multi-dimensional CW EPR spectral-spatial imaging. In this method, 3D spectral-spatial image data were obtained by simple repetition of conventional 2D CW imaging process, except that the field gradient amplitude was incremented in constant steps in each repetition. The data collection scheme was no different from the conventional CW imaging system for spectral-spatial data acquisition. No special equipment and/or rewriting of existing software were required. The data acquisition process for multi-dimensional spectral-spatial imaging is consequently simplified. There is also no “missing-angle” issue because the CTSSI modality was employed to reconstruct 2D spectral-spatial images. Extra reconstruction processes to obtain higher spatial dimensions were performed using a conventional projection-reconstruction modality. This data acquisition technique can be applied to any conventional CW EPR (spatial) imaging system for multi-dimensional spectral-spatial imaging.     

荧光寿命显微成像技术及应用的最新研究进展

由于荧光寿命不受探针浓度、激发光强度和光漂白效应等因素影响,荧光寿命显微成像技术(fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)在监测微环境变化、反映分子间相互作用方面具有高特异性、高灵敏度、可定量测量等优点,近年来已被广泛应用于生物医学等领域.然而,尽管FLIM的发明和发展已历经数十年时间,其在实际应用中仍然面临着许多挑战.例如,其成像分辨率受衍射极限限制,而其成像速度与成像质量和寿命测量精度则存在相互制约的关系.近几年来,相关硬件和软件的快速发展及其与其他光学技术的结合,极大地推动了FLIM技术及其应用的新发展.本文简要介绍了基于时域和频域的不同寿命探测方法的FLIM技术的基本原理及特点,在此基础上概述了该技术的最新研究进展,包括其成像性能的提升和在生物医学应用中的研究现状,详细阐述了近几年来研究者们通过硬件和软件算法的改进以及与自适应光学、超分辨成像技术等新型光学技术的结合来提升FLIM的成像速度、寿命测量精度、成像质量和空间分辨率等方面所做的努力,以及FLIM在生物医学基础研究、疾病诊断与治疗、纳米材料的生物医学研究等方面的应用,最后对其未来发展趋势进行了展望.     

Selective plane illumination optical and optoacoustic microscopy for postembryonic imaging

Intravital imaging of large specimens is intrinsically challenging for postembryonic studies. Selective plane illumination microscopy (SPIM) has been introduced to volumetrically visualize organisms used in developmental biology and experimental genetics. Ideally suited for imaging transparent samples, SPIM can offer high frame rate imaging with optical microscopy resolutions and low phototoxicity. However, its performance quickly deteriorates when applied to opaque tissues. To overcome this limitation, SPIM optics were merged with optical and optoacoustic (photoacoustic) readouts. The performance of this hybrid imaging system was characterized using various phantoms and by imaging a highly scattering ex vivo juvenile zebrafish. The results revealed the system's enhanced capability over that of conventional SPIM for high‐resolution imaging over extended depths of scattering content. The approach described here may enable future visualization of organisms throughout their entire development, encompassing regimes in which the tissue may become opaque.

     

偏振成像探测技术发展现状及关键技术

考虑偏振成像探测技术在目标探测中具有独特优势,本文介绍了偏振成像探测技术的概念,概括了国外偏振成像探测技术的研究历程和发展现状。基于上述描述,针对偏振成像探测的关键技术进行了深入的讨论,包括目标偏振特性、信道环境下的偏振传输特性和偏振成像目标全偏振图像的获取等。最后总结了该研究领域存在的主要问题,归纳了偏振成像探测技术的发展趋势。     

Real-time optical imaging and tracking of micron-sized particles

We report real-time imaging and dynamics monitoring of micrometer predefined and random sized particles by time-space-wavelength mapping technology using a single-detector. Experimentally, we demonstrate real-time line imaging of a 5 μm polystyrene microsphere, glass powder particles and patterns such as fingerprints with up to 5 μm resolution at 1 line/50 ns capture rate. By using the same setup, real-time displacement tracking of micrometer-size glass particles with 50 ns temporal resolution and up to 5 μm spatial resolution is achieved. We also show that existing correlation spectroscopy algorithms can be adopted to extract dynamic information in a complex environment.