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     

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     

相干X射线衍射成像技术及在材料学和生物学中的应用

无损获取高分辨率、高衬度微纳米材料结构图像,并能够原位、定量分析是X射线成像技术发展方向之一.最新发展起来的相干X射线衍射成像技术,也称为无透镜成像技术,为实现这一目标提供了可能.本文介绍了相干X射线衍射成像技术的成像原理和发展过程,以及在材料学和生物学中的一些典型应用和最新进展,例如掺杂铋元素在硅晶体中的分布成像,GaN量子点壳层结构的三维高分辨成像,染色大肠杆菌的二维成像,鱼骨的二维成像及矿化机理研究,单个未染色疱疹病毒的二维高衬度成像,未染色酵母菌细胞的三维高分辨成像及原位定量分析.最后对相干X射线衍射成像技术的发展方向做了展望.随着X射线自由电子激光的应用和冷冻技术与相干X射线衍射成像技术的结合,相干X射线衍射成像技术将得到快速的发展和广泛的应用.     

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     

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.     

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.     

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．     

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.     

部分相干X射线衍射相位成像与相位复原的模拟研究

借助于光学传递函数(OTF)概念，分析了微分相位成像过程和直接相位成像过程，讨论了通过图像处理进行相位复原的方法，得到了具有较高成像对比度和分辨率的实验参量区间，并利用数字方法模拟研究了相位成像的过程，对多种相位复原方法进行了比较。     

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.     

A general phase retrieval algorithm based on a ptychographical iterative 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.     

PIE成像中周期性重建误差的研究

本文分析了PIE技术中周期性误差出现的根本原因,并在此基础上提出一种能明显减小此种误差的方法.通过将现有PIE成像技术中的定步长二维周期扫描变为步长和方向都不确定的随机二维扫描,可以根本上去除样品重建像中的周期性误差,从而得到准确的相位和振幅像,对提高PIE成像的精度有较好的现实意义.     

Coherent X‐ray diffractive imaging of protein crystals

The technique of coherent X‐ray diffraction imaging (CXDI) has recently shown great promise for the study of inorganic nanocrystals. In this work the CXDI method has been applied to the study of micrometer‐size protein crystals. Finely sampled diffraction patterns of single crystals were measured and iterative phase‐retrieval algorithms were used to reconstruct the two‐dimensional shape of the crystal. The density maps have limited reproducibility because of radiation damage, but show clear evidence for crystal facets. Qualitative analysis of a number of single‐crystal diffraction peaks indicates the presence of inward surface contraction on 2 µm size crystals. A survey of several hundred diffraction patterns yielded a number of examples with dramatic single‐sided streaks, for which a plausible model is constructed.     

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.     

Three‐dimensional coherent diffractive imaging on non‐periodic specimens at the ESRF beamline ID10

The progress of tomographic coherent diffractive imaging with hard X‐rays at the ID10 beamline of the European Synchrotron Radiation Facility is presented. The performance of the instrument is demonstrated by imaging a cluster of Fe₂P magnetic nanorods at 59 nm 3D resolution by phasing a diffraction volume measured at 8 keV photon energy. The result obtained shows progress in three‐dimensional imaging of non‐crystalline samples in air with hard X‐rays.     

基于电子束剪切干涉的PIE成像技术研究

提出了基于M?llenstedt电子双棱镜的电压扫描剪切干涉全场ptychographic iterative engine(PIE)显微成像技术.从低到高逐步改变电子双棱镜的电压,并同时记录所形成的剪切干涉条纹,待测样品透射电子束的强度和相位分布就可以用PIE算法得以快速重建,而且双棱镜的方向、位置和实际电场强度分布等诸多实验中不可避免地偏差都可以在迭代过程中自动得以更正.所提技术能够克服现阶段用电子束进行PIE成像的诸多技术困扰,从而有望推动PIE技术在电子显微成像领域的发展和应用.