软X射线扫描相干衍射成像的算法及实验研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 邢振江 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 邰仁忠 |
| 关键词 | 扫描相干衍射成像 位置校正 虚拟深度扫描三维成像 噪声分离 |
| 英文摘要 | 随着X射线光源和探测器技术的发展,新型X射线显微方法不断涌现,空间分辨率也不断提高。随着第三代和第四代同步辐射光源的相继发展,X射线相干衍射成像(X-ray Coherent Diffraction Imaging,XCDI)技术因其超高的空间分辨率在许多领域得到了越来越广泛的应用。CDI是一种新型的无透镜成像技术,它可以从远场衍射强度图样中重建得到样品的实空间结构信息。该方法摆脱了传统透镜成像中透镜像差和数值孔径对成像分辨率的限制,其分辨率主要受X射线波长和探测器数值孔径的限制。根据傅里叶变换的平移不变性和厄米对称性,单次平面波CDI的解并不唯一,通常会形成中心对称的伪像。其次,根据香农采样定理,平面波CDI的样品必须是孤立的,无法实现扩展样品成像。而且对单次衍射数据的任何干扰都可能反映到样品图像上,从而导致成像质量的下降,甚至导致算法不会收敛。扫描相干衍射成像(Scanning CDI,又称层叠衍射成像或ptychography)是CDI的扫描形式的变体,除了继承CDI的所有优点之外,还具有更强的鲁棒性以及参数的自校准等优良特性。在ptychography中,带有一定曲率的局域光斑(探针)对样品进行扫描,相邻扫描位置的照明区域间具有一定的重叠;使用二维面探测器对样品出射波的远场衍射图样进行采集,并通过相位恢复迭代算法重建出探针函数和样品函数。Ptychography重叠区域内样品的信息被记录在两幅或多幅衍射图样中,因此使得该方法具有高信息冗余的特点。利用这些冗余信息不但可以获得高分辨的样品复透射率图像和探针波前图像,而且可以解码出多种多样的其他方面信息,比如背景噪声信息,样品三维信息,精确的样品扫描位置,甚至能够外推出探测器边缘之外的高频衍射信号。并且由于该方法是采用扫描模式进行成像,因此成像样品的横向尺寸不受光斑大小的限制。基于ptychography方法数据高冗余性的特点,本研究针对三个不同的问题,发展出了三种不同的成像算法。(1)针对ptychography扫描过程中的运动精度和电机漂移问题,基于菲涅尔CDI与ptychography实验装置的相似性,提出了一种菲涅耳CDI算法与图像配准算法相结合的ptychography位置校正新方法。已有的位置校正算法中,位置校正过程一般与样品的迭代重构同步进行,两者之间的高耦合性可能会导致最终的迭代结果陷入局部最优解。而我们的位置校正新方法将位置校正过程置于样品图像迭代重建之前完成,两个过程之间并不存在耦合。该方法不需要关于扫描位置的任何先验信息,而是根据相邻光斑照明的重叠区域进行位置匹配。模拟和实验数据均表明,该算法能够有效地校正扫描位置,从而改善ptychography成像质量,提高成像分辨率。位置校正的质量取决于单个照明区域菲涅耳CDI的图像重建质量,因此对于高衬度和具有丰富细节的样品,更容易实现高精度的配准,从而位置校正的效果也往往会更好。(2)提出了一种基于多切片ptychography的厚样品三维成像方法——虚拟深度扫描多切片ptychography方法。这种独特的三维成像新算法利用多切片层沿深度方向虚拟地扫描厚样品的整个深度范围,来获得样品的三维结构信息,从而充分挖掘了隐藏在冗余衍射数据中的深度信息。实验过程中不需要对样品进行旋转,所需采集的数据量与二维ptychography一样少,因此实验效率较高且操作简单。该方法由于考虑了多重散射效应(多切片),因此消除了传统三维成像对样品厚度的限制。我们使用软X射线同步辐射实验数据验证了该方法的有效性,成功重建了碳纳米纤维样品的真实三维结构,在深度方向上具有1微米左右的分辨率,横向具有10纳米分辨率。如果使用聚焦性更高的菲涅耳波带片(探针具有更大的数值孔径),该方法的深度分辨率有望进一步提高。(3)提出了一种基于梯度下降法的新型信噪分离算法,能够在没有任何噪声先验信息的情况下,实现衍射信号和背景噪声的盲分离,从而显著改善样品和探针图像的重建质量。该算法考虑了与样品无相互作用的杂散光线或暗电流等在CCD上产生的背景噪声,假定该背景噪声在扫描过程中是恒定的,结合ptychography数据的高冗余性实现背景的分离。通过仿真模拟和实验数据重建,我们将该方法与传统迭代算法进行了对比,结果充分证明了新算法的有效性,以及它相对于常规ePIE算法和多模式算法的显著优势。新算法大幅提升了ptychography成像质量,即使对于CCD中心区域严重饱和的衍射信号,该算法依然能够实现高质量的样品图像重建。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33836]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 邢振江. 软X射线扫描相干衍射成像的算法及实验研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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