本文關鍵詞：軟X射線掃描相干衍射成像方法學研究　出處：《中國科學院研究生院(上海應用物理研究所)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：相干X射線衍射成像(Coherent Diffraction Imaging,CDI)是一種不依賴透鏡等成像元件的X射線顯微成像技術。它依賴于樣品的出射波與其在遠場的衍射波滿足傅里葉變換關系,在實驗中用大數值孔徑的探測器對遠場衍射圖樣進行精密采樣,之后采用相位恢復迭代算法對衍射圖樣進行相位恢復,并重建得到樣品的圖像。CDI方法擺脫了由成像元件所帶來的對成像分辨率的限制,其成像分辨率理論上僅受限于X射線的波長。由于可以對非晶樣品進行高分辨率顯微成像,利用同步輻射X射線光源、X射線自由電子激光(XFEL)以及小型化桌面軟X射線光源的CDI方法目前已經被廣泛地應用于對材料、生物、環(huán)境等研究領域的樣品進行二維或三維成像。然而,常規(guī)CDI方法僅用單幅衍射圖樣進行相位恢復和樣品圖像重建,而且在實驗設置中一般要求樣品為孤立分布的并要求其尺寸小于入射光斑。此外,在相位恢復的過程中,還存在算法收斂慢、重建不收斂、重建停滯以及重建結果非唯一等問題。常規(guī)CDI方法在實驗數據獲取及樣品圖像重建過程中均要求比較高的技巧。這些限制條件在重疊關聯成像(掃描相干衍射成像,ptychography)方法中可以得到很好的解決。重疊關聯成像方法是CDI方法與探針掃描方法的結合。它用一個局域性的照明探針(probe)對樣品進行掃描,相鄰的探針照明區(qū)域存在部分重疊。由于重疊區(qū)域內樣品的信息被記錄在兩幅或者更多的衍射圖樣中,所以實驗獲得的衍射數據具有高度的空間關聯性并且蘊含了大量的冗余信息。后續(xù)相位恢復算法的收斂速度和收斂質量也因此得到大幅改善。通過充分利用衍射數據的高冗余度和高度一致相關性,重疊關聯成像方法已經被用來研究和提供除樣品形貌信息以外的其它多種多樣的實驗相關信息。截至目前,在重疊關聯成像方法中已經能夠:同時重建得到樣品和探針的精確信息;能夠精確求解實驗中探針掃描位置的誤差;能夠對衍射圖樣延拓外推實現對樣品的超分辨成像;能夠在不旋轉樣品的情況下重建其三維結構;能夠重建入射光部分空間相干性導致的混合態(tài)信息;能夠重建具有量子多重態(tài)的樣品信息;能夠利用樣品對不同波長或空間模式的入射光的差異響應實現信息復用,等等。基于重疊關聯成像方法擁有上述的眾多優(yōu)勢,并立足于國際最前沿的研究方向,本文主要工作圍繞軟X射線掃描相干衍射成像方法進行,取得的主要成果如下:(1)搭建實驗平臺,在實驗上實現了ptychography方法。此工作分別在上海同步輻射光源的軟X射線譜學顯微線站(BL08U1-A)和加拿大光源的軟X射線譜學顯微線站(SM,10ID-1)開展并完成。目前,在兩條線站原有的掃描透射X射線顯微成像(STXM)實驗平臺的基礎上分別完成了ptychography實驗平臺的搭建。而且完成了重建程序的GPU化。兩條線站均可以方便地開展ptychography實驗,并借助搭載高性能GPU的工作站對樣品圖像實時在線重建。(2)對不同類型的樣品進行成像實驗。在上海光源BL08U1-A線站,已經對包括標準分辨率靶(強散射樣品)、鉑鈷合金納米顆粒(催化材料)、乳腺癌細胞(生物樣品)在內的不同樣品進行了成像實驗。在加拿大光源SM線站,對包括標準分辨率靶、納米金顆粒(納米科學)、聚苯乙烯光子晶體(材料科學)、磁小體納米鏈(生物樣品產物)在內的不同樣品進行了實驗。所有成像實驗均取得了高質量的重建圖像。該實驗方法很快將會在兩條線站對用戶開放。(3)研究了ptychography實驗中,離焦大光斑掃描模式和聚焦小光斑掃描模式的差異。結果表明:聚焦小光斑模式在足夠高的掃描精度下能夠對樣品實現更高質量的成像,但是其對掃描誤差容忍度有限;離焦大光斑模式雖然由于探針的光子面密度較低,成像質量稍差,但是能夠容忍較大的掃描誤差,顯著降低對樣品的輻照劑量,而且對樣品進行大范圍掃描的時候實驗時間可以大幅縮短。(4)系統地研究了ptychography實驗數據中的背景噪聲是如何影響重建樣品圖像質量的。本文首先給出了幾種針對不同分布規(guī)律的噪聲進行扣除的方法,并利用數值模擬和實驗數據驗證了其有效性。通過對比某特定噪聲分布的衍射圖樣在扣除噪聲前后重建得到的樣品圖像的差異,確定該分布規(guī)律的噪聲是如何影響重建結果的。結果表明:局域性的殘留噪聲即使強度較大一般也只對重建圖像中的精細結構產生影響,而呈均勻分布的殘留噪聲即使強度很弱也會較嚴重的影響重建圖像質量;本文提供的幾種背底噪聲扣除方法對重建圖像質量提高的正面作用超過由于高頻信號丟失帶來的負面作用;去除噪聲可以提高衍射圖樣間的一致相關性,所以在相位恢復和圖像重建的過程中,部分丟失的衍射信號可以被重建恢復出來。(5)研究了如何利用混合態(tài)分解算法提高ptychography的重建圖像質量,包括利用多模式探針算法和子像素上采樣算法。結果表明,兩種混合態(tài)分解算法均能夠顯著改善重建圖像的質量,但多模式探針算法在消除入射探針的非相干效應方面更勝一籌。另外我們也證明在利用大探針光斑進行樣品掃描,從而導致重建質量嚴重下降的情況下,子像素上采樣算法能夠顯著地改善重建結果。
[Abstract]:This method has been widely used in the research of materials , biology , environment and so on . In this paper , we have studied how to improve the quality of reconstructed images by using mixed state decomposition algorithm .

【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海應用物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O436.1

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本文編號：1391668