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。

提出一种分束调制技术来实现高精度单次曝光相位恢复成像,将待测光束用二维光栅分成一组彼此相同的衍射光束簇,并同时入射到一个结构已知的调制板上,当调制板为弱衍射物体时,在探测器上形成一组彼此相分开的衍射斑阵列。联合这些衍射光斑和弱衍射物体的透射函数,可通过一次曝光迭代计算出待测量光束的强度和相位信息,同时具有Gergberg-Saxton算法等单次曝光方法的成像速度快和相干叠层衍射成像算法等扫描成像技术的高信噪比和高精度等优点,对X射线成像和高功率激光光束在线监测等领域有重要的实用价值。

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。

In the single-beam illuminating 3PIE (ptychographic iterative engine) method, the specimen is vertically illuminated without considering the influence of oblique illumination on the reconstruction result. In this paper, a dual-beam illuminating 3PIE method is proposed on the basis of the single-beam illuminating 3PIE method, and the simulation result shows that the reconstructed images are influenced by the phase inclination factor of the initial guessed illumination light beam. In the process of iterative recovery by the proposed method, two light beams are used to update the complex amplitude distribution of the same specimen area. The proposed method is demonstrated theoretically and experimentally. The results verify that the method can improve the convergence speed while weakening crosstalk between different specimen slices, and it is suitable for three-dimensional depth resolved imaging.

As a newly developed lensless imaging technique, PIE (ptychographical iterative engine) does not only maintain the simplicity and convenience of the equipment of traditional coherent diffraction imaging (CDI) methods, but also overcomes the drawbacks such as restricted field of view and slow convergence. With the extensible imaging field, better convergence speed and higher immunization capability to noise, PIE is widely researched and used in optical, X-ray and electron beam imaging fields. PIE is a new method which is possible to replace the current phase imaging methods. The background, development, applications, problems and developing trend of the PIE method are introduced.

在单光束照明3PIE(Ptychographic Iterative Engine)方法中，照明光垂直照射在待测样品表面，没有考虑照明光倾斜对重构结果的影响。在单光束照明3PIE方法的基础上提出了双光束照明3PIE方法，同时模拟分析了初始猜测照明光中相位倾斜因子对成像质量的影响。双光束照明3PIE方法在迭代恢复样品的过程中，两束照明光均用于更新同一样品的复振幅分布，理论分析和实验结果均表明，双光束照明3PIE方法能够提高算法的收敛速度，有效减弱恢复样品不同层次之间的串扰，适用于三维层析成像。

作为一种新近发展的无透镜成像技术，PIE(ptychographical iterative engine)不但保持了传统相干衍射成像方法装置简单、使用方便等优点，克服了视场受限和收敛速度慢等缺点，还具有成像范围可扩展、收敛速度快、抗噪声能力强等优势，在光学、X射线和电子束等领域得到了广泛关注并开展了大量研究，是一种有可能在大范围内替代现有相位成像技术的新方法。主要介绍了PIE方法的技术背景、技术现状、相关应用及面临的问题和可能的发展方向。

Curved illumination is used to improve the performance of ptychographical iterative engine (PIE). Influence of illumination with different curvatures on PIE is studied. Results show that curved illumination can make the algorithm more robust to random noise and quantization error, and enhance the resolution of PIE more than three times. Thus a good reference to the choice of illumination in the PIE experiment is given.

在对拓展重叠关联迭代引擎算法(ePIE)成像的轴向距离偏差问题进行详细分析的基础上指出，轴向距离偏差对再现图像所造成的影响在本质上和横向扫描步长误差所造成的影响完全一样；用含有位置搜索的ePIE算法进行图像重建时，轴向距离偏差所造成的影响理论上可以自动得以更正。

系统研究了照明光的波前曲率对PIE成像分辨力的影响，证明采用弯曲波前的照明光可以显著提升PIE对随机噪声和量化误差的抗干扰能力，从而能够使重建图像的分辨力提高3倍以上，为实际实验中照明光的选择提供了指导。