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.     

厚样品三维叠层衍射成像的实验研究

叠层衍射成像是一种新兴的无透镜成像技术,目前限制这项技术发展的是光束透过样品时的乘法近似假设,这意味着在可见光域微米级分辨率下,叠层衍射成像的样品厚度不能超过数十微米.通过将样品沿轴多层切片的方式,在模拟实验和光学实验中均实现了对毫米量级厚样品的三维叠层衍射成像.模拟实验结果表明,单波长并不能很好地恢复三维厚样品,从而有必要引入多波长光束照明,随着波长数量的增加,三维厚样品的复原质量不断提高.光学实验使用两组不同厚度的样品进行实验验证,进一步研究了波长数量对复原结果的影响.随着波长数量增加,复原图像质量不断提高,证明了模拟实验的结论.利用所建光学实验装置,在三波长照明条件下取得了最好的成像与分离效果.同时针对实验中出现的叠影现象做出了合理的解释.研究结果对提高厚样品三维叠层衍射成像的质量具有现实意义.     

基于光场的超快相干电子源产生及调控研究进展(特邀)

光与物质之间的相互作用是自然界中最基本的物质相互作用之一,这种动力学的完全可视化需要时间上的阿秒分辨率和空间上的原子级分辨率。超短相干电子源是实现这一目标的重要方法。本文介绍了利用各种光场如射频、太赫兹、可见光来产生、相空间调控甚至表征这种超短相干的高品质电子源的重要进展,并主要总结了其在四维超快电子显微镜方面的技术突破,为"阿秒显微镜"的建立开辟了道路,使对电子运动成像成为可能,最后对超快电子研究的发展进行了展望。     

随机光学重构显微成像技术及其应用

光学显微成像技术在生命科学、生物医学、临床医学诊断和材料科学等领域有着非常广泛的应用。但由于光学衍射极限的存在,传统光学显微镜无法观察到纳米尺度的物质及生命活动,极大地限制科学研究和医学的发展。近年来,随着突破光学衍射极限的超分辨成像技术的不断发展,显微成像分辨率得到不同程度的提高。目前在基于不同原理的各种超高分辨率显微镜中,随机光学重构显微镜(STORM)分辨率最高,可达几十纳米,真正实现了单分子水平检测。着重介绍了STORM超分辨显微成像技术的原理、实验方法及其应用。     

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.     

高相干超快电子源研究进展

以原子级时空分辨监测物质的动力学行为并从最根本层面理解自然界中的微观基本过程一直是飞秒物理、飞秒化学以及飞秒生物学研究的目标.时间分辨电子衍射巧妙地结合了抽运-探测技术和电子衍射技术,可实现直接"观察"和"冻结"类似的超快过程.然而,目前常用的超快电子探针的横向相干性仍受到电子源的初始尺寸、有效温度、能量弥散以及电子间固有库仑排斥的限制,还很难分辨化学和生物相关的复杂有机分子.近年来大量研究工作都集中在发展高相干的超短电子源,其不仅对时间分辨电子衍射研究起到推动作用,也将极大地促进超快电子显微镜、相干衍射成像以及叠层成像等的发展.本综述以相干性为主线,介绍了几种常用平面阴极光电发射源的研究进展,并从产生机理、独有特性和实验成果方面讨论了尖端发射源和冷原子电子源这两类新型的高相干超快电子源,最后对衍射技术的相干性发展和未来应用进行了展望.     

微球透镜超分辨显微成像与检测技术综述

受衍射极限的影响,传统光学显微镜的分辨率最高约为波长的一半,突破衍射极限,获得更高的成像分辨率是近年来显微成像领域的研究热点。相比于其他超分辨显微成像方式,基于微球透镜的超分辨显微成像方式具有简单直接、免标记等优点。主要介绍国内外研究团队将微球与传统的光学显微镜结合实现超分辨显微成像的研究进展,从微球透镜参数选择、成像方案、成像分辨率、成像视场及成像机理等多角度进行总结与比对;并结合课题组工作,介绍了将微球透镜与干涉显微技术相结合的三维超分辨检测技术,阐述了Linnik型与Mirau型两种检测光路原理,分析了三维超分辨检测的效果;展望了微球透镜超分辨显微技术在显微成像与显微干涉检测两个方面待解决的问题与发展方向。     

微结构形貌的光场显微三维重构分辨率增强技术

扫描式的测量技术是目前微结构表面形貌测量的主流技术,但需要高精度的机械扫描、较长的测量时间。针对其问题,结合光场显微技术和傅里叶叠层显微技术,提出了一种分辨率增强的三维重构技术,通过在常规显微成像系统中加入光学编码元件,使用单次曝光而获得被测工件的光学切片序列,基于傅里叶叠层显微技术实现了对切片图像横向分辨率的增强,克服了光场成像技术中的分辨率损失。实验证明,提出的三维重构技术对于微结构表面加工过程的在线测量具有较好的应用前景。     

方形孔径的宏观傅里叶叠层超分辨成像研究

随着成像系统小型化发展，透镜和光阑不再必须是圆形的，方形孔径更有利于收集微成像器件完整孔径的光场。研究了基于方形孔径的宏观傅里叶叠层成像技术，利用成像传感器及其傅里叶域自然的矩形结构，更有效利用方形孔径的合成来提高成像分辨率。数值模拟和实验验证表明：边长和直径相等的方形孔径与圆形孔径相比，方形孔径具有高光通量和宽传递函数的优势，可实现更高的成像分辨率、速度和信噪比。     

基于点扫描的超分辨显微成像进展

光学显微镜一直推动着现代科学技术的发展.随着科学的进步,对显微成像分辨率的要求在生物、材料等领域日渐凸显,而常规宽场显微成像一直面临着成像分辨率衍射受限的问题.1968年出现的共聚焦显微镜作为点扫描显微镜的开端第一次实现了远场下成像分辨率的突破,它具有层切性好、信噪比高等优点.在1994年出现的受激辐射荧光损耗显微镜将显微成像能力突破到2.8 nm左右,并成为目前效果最佳、应用较广泛的超分辨显微技术.荧光差分显微和饱和荧光吸收竞争等点扫描技术具有无荧光染剂限制、饱和光强低、光路简单等优势,并且能取得1/6波长的分辨能力,进而在超分辨显微领域仍有着发挥空间.Airyscan技术作为以上方法的补充可以弥补点扫描系统中由于探测小孔半径减小而带来的信号丢失,从而提高成像信噪比和分辨率,但阵列探测器成本较高.上述点扫描显微镜通过改变照明或者探测的方式实现了分辨率突破.本文详细讨论了点扫描超分辨方法的原理、成像效果及面临的瓶颈,并分析了点扫描超分辨显微镜在应用和技术上的趋势.     

基于分形谐振器的远场超分辨率扫描成像

为突破传统衍射极限实现远场超分辨率扫描成像,提出一种基于分形谐振器的微结构阵列用于目标远场超分辨率扫描成像.该阵列基于局域模谐振原理,将目标的超分辨率信息包含在频谱中传播到远场,可在远场通过频谱信息判断目标所在位置,从而不借助于格林函数实现超分辨率实时成像,成像过程简单方便.基于分形谐振器的设计使阵列具有多频点工作的特点,最终实现了λ/10的超分辨率成像.结合分形谐振器一阶谐振和三阶谐振的特点,提出一种可有效提升成像效率的新型的扫描成像方法.     

基于宽带立体超透镜的远场超分辨率成像

为突破传统衍射极限实现远场超分辨率成像,提出了一种微波频段宽带立体超透镜用于目标远场超分辨率成像.该透镜可将携带着目标超分辨率信息的凋落波分量转换为传播波分量辐射到远场,进而可在远场接收这些信息并用于超分辨率成像.分别从频域和时域两方面对该透镜的超分辨率特性进行验证.在频域,利用多重信号分类算法对借助于该结构的扩展目标实现了λ/12的远场超分辨率成像,大幅度提升了成像效果.在时域,结合时间反演技术,验证了带宽提升对空间超分辨率聚焦特性带来的明显优势.     

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     

采用负折射率材料提高空间望远镜分辨率的理论研究

传统的空间望远镜是根据分辨率衍射极限公式,通过增大系统的通光口径来提高分辨率的,但这样系统的体积和重量相应增大,增加了空间运载的难度。负折射率材料(Negative Index Materials,NIMs)的出现,为高分辨率空间望远镜的发展提供了新的思路。NIMs对含有物体精细结构信息但在真空中随距离指数衰减传播的渐失场有增益放大作用,从而使渐失场能够参与成像,实现光学系统传统分辨率衍射极限的突破。本文介绍了NIMs的研究历史,分析了由负折射产生的负群速度、逆Doppler频移、反常Cerenkov辐射、负折射等各种效应,重点讨论了采用NIMs实现望远系统传统分辨率突破的内涵和意义以及今后研究工作的重点。     

基于共聚焦亚像素扫描的高分辨三维成像

激光雷达技术因具有高精度、高分辨率和工作距离远等优点被广泛应用于三维成像。然而，受光学系统衍射极限的限制，激光雷达的空间分辨率随着目标距离的增大而显著降低。为解决上述问题，结合共聚焦照明技术和亚像素扫描技术，提出一种聚焦照明亚像素扫描光子计数激光雷达，并在实验室内进行了10 m成像实验。结果表明，相较于准直照明光束，采用共聚焦照明光束可将系统空间分辨率由5.0 mm提高到0.9 mm，不仅实现了超光学系统衍射极限成像，还有效降低了多重回波的影响，增强了回波强度。     

面向下一代数字病理成像分析仪的高通量全彩色傅里叶叠层显微成像术（特邀）（英文）

傅里叶叠层显微成像术是近年来提出的新型计算成像技术,它有效解决了传统显微成像中分辨率与视场制约的问题,无需对样本进行机械扫描便能获得十亿像素级的高通量图像,有效解决传统数字病理扫描仪器的拼接伪影、重影、拼接成功率低、景深狭小、效率偏低等问题。近年来更是发现其不单是解决视场与分辨率制约的工具,更是解决一系列权衡问题的范式,从而迸发出源源不绝的生命力与应用潜力。本文全方位概述了傅里叶叠层显微成像术技术9个方面的发展趋势,简介了其起源与基本原理,着重综述了其在面向下一代数字病理成像分析仪的多个阶段与最新进展。指出其在这一应用方向上已进入“10-100”的产业化阶段。讨论了其产生大规模社会经济效益的可能性,其极有可能给数字病理行业及其上下游相关行业带来突破进展。尽管如此,作为典型交叉领域仍有不尽人意之处,包括科学问题、技术问题、工程问题及行业问题,需要多方共同努力推进,展望了未来技术与工程发展方向。     

有孔探针近场拉曼光谱和成像技术进展

基于有孔探针SNOM的近场拉曼光谱和成像技术的出现使得拉曼光谱的分辨率突破了光学衍射极限,从而提供了一个有力的工具对样品亚波长尺度之下的化学信息进行表征。文章讨论了探针性质对实现近场拉曼光谱的影响,并全面地介绍了有孔探针近场拉曼光谱发展十余年来在纳米尺度化学分辨成像、液-液界面性质研究、微观层面解释SERS增强机理、图像化反映SERS热点分布等诸多领域的研究进展。     

可见光域多波长叠层衍射成像的实验研究

运用模拟实验和光学实验研究了叠层衍射成像中波长数量和噪声对复原结果的影响. 模拟结果表明, 在多波长叠层衍射成像中, 复原质量随波长数量的增加而不断提高并最终达到一定极限. 光学实验以不同样品进行实验验证, 进一步研究了增加波长与随之引入噪声及系统复杂度间的制约关系. 研究发现, 并非波长越多成像效果越好, 而可能存在一个最优的成像条件. 利用所建实验装置, 在双波长照明条件下取得了相对最优的成像效果. 本结论对提高叠层衍射成像的质量具有现实意义.     

太赫兹超分辨近场成像方法研究综述

受衍射极限的限制,传统太赫兹成像分辨率在毫米量级,无法满足目前前沿研究向微纳米尺度发展的主要趋势。高时空分辨率太赫兹成像技术成为当下太赫兹领域最重要的研究热点之一。近场太赫兹成像技术是实验中将太赫兹成像分辨率提升至微纳米量级的重要方法。介绍了近场太赫兹成像技术的基本原理,详述了多种近场太赫兹成像技术的发展历程与技术路线,从时空分辨能力、频谱分辨能力、成像质量、成像信噪比和适用场景等多个角度分析并总结了各种近场太赫兹成像技术的优势和不足。最后,讨论并展望了太赫兹超分辨成像未来的发展趋势。     

高分辨电子显微学的新进展 --走向亚埃电子显微时代

简要介绍了高分辨电子显微学的最新进展．特别指出，随着空间分辨率突破1A和亚埃分辨率的电子显微镜的快速普及，电子显微学及相关研究领域将进入一个快速发展的阶段．装备有球差校正器和能量单色器的新一代电子显微镜将很快进入实验室，给出高质量的原子结构图像（分辨率优于1A）和高能量分辨率的电子能量损失谱（优于0．1eV）．这一进展将对晶体结构学、材料科学、物理学、纳米科学及生命科学产生重大影响，也为解决很多重要结构问题提供新机遇．