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。

将相干调制成像(CMI)迭代过程等效为梯度搜索算法,建立了CMI收敛模型,从解方程角度提出为保证重建结果的唯一性需要满足的基本条件,即有调制板时光斑非0点数是无调制板时光斑非0点数的2倍,或有调制板时放大λL(λ为波长, L为衍射距离)倍后的调制板频谱截止宽度与无调制板时光斑截止宽度的比值至少为0.414。通过模拟计算进行了很好的验证。该研究为CMI的进一步优化提供了理论依据。

提出一种大倾角照明条件下的高精度PIE(ptychographic iterative engine)迭代重建算法。该算法用小角度照明的透射光代替大角度照明的透射光,通过修正角谱传递函数,得到适应大角度迭代的光场传输公式。在非傍轴条件下,该算法能够避免样品面上相位分布欠采样的问题,同时精确计算衍射面上的衍射光斑,为单次曝光PIE成像的进一步发展和实际应用解决了最为关键的技术难题。

Ptychography是近些年快速发展起来的一种新型相位恢复技术,通过对待测样品以小于照明光直径的步长扫描后,利用迭代计算可以重建出照明光和样品复振幅分布,是一种理论分辨率为衍射极限的非透镜相位成像技术。虽然其提出初期受限于基本假定条件,但近些年随着相关研究的跟进,人们对Ptychography算法特性的理解逐渐深入,算法也日趋成熟,在可见光、X射线和电子束等领域已被广泛应用于相位成像、波前诊断和光学计量,因此针对影响重建过程和精度的关键因素,如模态多样化、扫描误差、光斑误差、距离误差、样品厚度不可忽略等进行了总结,并讨论了针对上述问题的关键技术进展。

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。