本文關(guān)鍵詞：軟X射線掃描相干衍射成像方法學(xué)研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 相干衍射成像 重疊關(guān)聯(lián)成像 相位恢復(fù)迭代算法 混合態(tài) X射線顯微

【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(shù)。它依賴于樣品的出射波與其在遠(yuǎn)場(chǎng)的衍射波滿足傅里葉變換關(guān)系,在實(shí)驗(yàn)中用大數(shù)值孔徑的探測(cè)器對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣進(jìn)行精密采樣,之后采用相位恢復(fù)迭代算法對(duì)衍射圖樣進(jìn)行相位恢復(fù),并重建得到樣品的圖像。CDI方法擺脫了由成像元件所帶來(lái)的對(duì)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(zhǎng)。由于可以對(duì)非晶樣品進(jìn)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(jīng)被廣泛地應(yīng)用于對(duì)材料、生物、環(huán)境等研究領(lǐng)域的樣品進(jìn)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(jìn)行相位恢復(fù)和樣品圖像重建,而且在實(shí)驗(yàn)設(shè)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(fù)的過(guò)程中,還存在算法收斂慢、重建不收斂、重建停滯以及重建結(jié)果非唯一等問(wèn)題。常規(guī)CDI方法在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取及樣品圖像重建過(guò)程中均要求比較高的技巧。這些限制條件在重疊關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)成像方法是CDI方法與探針掃描方法的結(jié)合。它用一個(gè)局域性的照明探針(probe)對(duì)樣品進(jìn)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(nèi)樣品的信息被記錄在兩幅或者更多的衍射圖樣中,所以實(shí)驗(yàn)獲得的衍射數(shù)據(jù)具有高度的空間關(guān)聯(lián)性并且蘊(yùn)含了大量的冗余信息。后續(xù)相位恢復(fù)算法的收斂速度和收斂質(zhì)量也因此得到大幅改善。通過(guò)充分利用衍射數(shù)據(jù)的高冗余度和高度一致相關(guān)性,重疊關(guān)聯(lián)成像方法已經(jīng)被用來(lái)研究和提供除樣品形貌信息以外的其它多種多樣的實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息。截至目前,在重疊關(guān)聯(lián)成像方法中已經(jīng)能夠:同時(shí)重建得到樣品和探針的精確信息;能夠精確求解實(shí)驗(yàn)中探針掃描位置的誤差;能夠?qū)ρ苌鋱D樣延拓外推實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的超分辨成像;能夠在不旋轉(zhuǎn)樣品的情況下重建其三維結(jié)構(gòu);能夠重建入射光部分空間相干性導(dǎo)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(duì)不同波長(zhǎng)或空間模式的入射光的差異響應(yīng)實(shí)現(xiàn)信息復(fù)用,等等�；谥丿B關(guān)聯(lián)成像方法擁有上述的眾多優(yōu)勢(shì),并立足于國(guó)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(jìn)行,取得的主要成果如下:(1)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)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(xué)顯微線站(BL08U1-A)和加拿大光源的軟X射線譜學(xué)顯微線站(SM,10ID-1)開(kāi)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上分別完成了ptychography實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(kāi)展ptychography實(shí)驗(yàn),并借助搭載高性能GPU的工作站對(duì)樣品圖像實(shí)時(shí)在線重建。(2)對(duì)不同類型的樣品進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。在上海光源BL08U1-A線站,已經(jīng)對(duì)包括標(biāo)準(zhǔn)分辨率靶(強(qiáng)散射樣品)、鉑鈷合金納米顆粒(催化材料)、乳腺癌細(xì)胞(生物樣品)在內(nèi)的不同樣品進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)。在加拿大光源SM線站,對(duì)包括標(biāo)準(zhǔn)分辨率靶、納米金顆粒(納米科學(xué))、聚苯乙烯光子晶體(材料科學(xué))、磁小體納米鏈(生物樣品產(chǎn)物)在內(nèi)的不同樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。所有成像實(shí)驗(yàn)均取得了高質(zhì)量的重建圖像。該實(shí)驗(yàn)方法很快將會(huì)在兩條線站對(duì)用戶開(kāi)放。(3)研究了ptychography實(shí)驗(yàn)中,離焦大光斑掃描模式和聚焦小光斑掃描模式的差異。結(jié)果表明:聚焦小光斑模式在足夠高的掃描精度下能夠?qū)悠穼?shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的成像,但是其對(duì)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(zhì)量稍差,但是能夠容忍較大的掃描誤差,顯著降低對(duì)樣品的輻照劑量,而且對(duì)樣品進(jìn)行大范圍掃描的時(shí)候?qū)嶒?yàn)時(shí)間可以大幅縮短。(4)系統(tǒng)地研究了ptychography實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的背景噪聲是如何影響重建樣品圖像質(zhì)量的。本文首先給出了幾種針對(duì)不同分布規(guī)律的噪聲進(jìn)行扣除的方法,并利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其有效性。通過(guò)對(duì)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(jié)果的。結(jié)果表明:局域性的殘留噪聲即使強(qiáng)度較大一般也只對(duì)重建圖像中的精細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,而呈均勻分布的殘留噪聲即使強(qiáng)度很弱也會(huì)較嚴(yán)重的影響重建圖像質(zhì)量;本文提供的幾種背底噪聲扣除方法對(duì)重建圖像質(zhì)量提高的正面作用超過(guò)由于高頻信號(hào)丟失帶來(lái)的負(fù)面作用;去除噪聲可以提高衍射圖樣間的一致相關(guān)性,所以在相位恢復(fù)和圖像重建的過(guò)程中,部分丟失的衍射信號(hào)可以被重建恢復(fù)出來(lái)。(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(zhì)量,包括利用多模式探針?biāo)惴ê妥酉袼厣喜蓸铀惴�。結(jié)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(zhì)量,但多模式探針?biāo)惴ㄔ谙肷涮结樀姆窍喔尚?yīng)方面更勝一籌。另外我們也證明在利用大探針光斑進(jìn)行樣品掃描,從而導(dǎo)致重建質(zhì)量嚴(yán)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(jié)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(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O436.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 孫為民,白紹泰,劉憲國(guó);正六邊形孔夫朗禾費(fèi)衍射圖樣的分析[J];高師理科學(xué)刊;2004年04期

2 任常愚;孫秀冬;裴延波;;向列相液晶中弱光引致各向異性衍射圖樣的研究[J];物理學(xué)報(bào);2009年01期

3 陳永樸;D.D.Long;L.C.Bolling;;三維干涉衍射圖樣[J];醫(yī)學(xué)物理;1984年01期

4 武勇軍;白聞喜;;激光衍射圖樣識(shí)別法檢驗(yàn)光學(xué)零件表面疵病[J];光學(xué)技術(shù);1996年04期

5 謝建平,方暉,王守濤,吳為民,王剛,吳云霞,高偉,張國(guó)平,明海;近場(chǎng)衍射圖樣的抽樣定理處理方法[J];光學(xué)學(xué)報(bào);1999年06期

6 梅銥君;;再現(xiàn)光的干涉、衍射圖樣——介紹一種簡(jiǎn)易教具[J];物理教學(xué);1990年12期

7 趙政,趙志清;采用六棱嵌鏡分光器全視域顯現(xiàn)衍射圖樣[J];物理實(shí)驗(yàn);2005年07期

8 李直,趙洋,李達(dá)成;相位板衍射圖樣處理方法的研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2001年09期

9 王召兵,王桂東;平面衍射光柵衍射圖樣的計(jì)算機(jī)模擬分析[J];臨沂師范學(xué)院學(xué)報(bào);2001年04期

10 丁益民;朱蓉;;光的多縫衍射圖樣的蒙特卡羅模擬[J];武漢交通職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào);2007年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 范家東;弱衍射樣品的高分辨成像及衍射增強(qiáng)相干X射線成像方法研究[D];山東大學(xué);2015年

2 王春鵬;軟X射線掃描相干衍射成像方法學(xué)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 張影;銣原子熱蒸氣中空心光束的產(chǎn)生機(jī)理及特性[D];西北大學(xué);2016年

，

本文編號(hào)：1391668