软X射线扫描相干衍射成像方法学研究
王春鹏
学位类型博士
导师邰仁忠
2016
学位授予单位中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
关键词相干衍射成像 重叠关联成像 相位恢复迭代算法 混合态 X射线显微
摘要相干X射线衍射成像(Coherent Diffraction Imaging,CDI)是一种不依赖透镜等成像元件的X射线显微成像技术。它依赖于样品的出射波与其在远场的衍射波满足傅里叶变换关系,在实验中用大数值孔径的探测器对远场衍射图样进行精密采样,之后采用相位恢复迭代算法对衍射图样进行相位恢复,并重建得到样品的图像。CDI方法摆脱了由成像元件所带来的对成像分辨率的限制,其成像分辨率理论上仅受限于X射线的波长。由于可以对非晶样品进行高分辨率显微成像,利用同步辐射X射线光源、X射线自由电子激光(XFEL)以及小型化桌面软X射线光源的CDI方法目前已经被广泛地应用于对材料、生物、环境等研究领域的样品进行二维或三维成像。然而,常规CDI方法仅用单幅衍射图样进行相位恢复和样品图像重建,而且在实验设置中一般要求样品为孤立分布的并要求其尺寸小于入射光斑。此外,在相位恢复的过程中,还存在算法收敛慢、重建不收敛、重建停滞以及重建结果非唯一等问题。常规CDI方法在实验数据获取及样品图像重建过程中均要求比较高的技巧。这些限制条件在重叠关联成像(扫描相干衍射成像,ptychography)方法中可以得到很好的解决。重叠关联成像方法是CDI方法与探针扫描方法的结合。它用一个局域性的照明探针(probe)对样品进行扫描,相邻的探针照明区域存在部分重叠。由于重叠区域内样品的信息被记录在两幅或者更多的衍射图样中,所以实验获得的衍射数据具有高度的空间关联性并且蕴含了大量的冗余信息。后续相位恢复算法的收敛速度和收敛质量也因此得到大幅改善。通过充分利用衍射数据的高冗余度和高度一致相关性,重叠关联成像方法已经被用来研究和提供除样品形貌信息以外的其它多种多样的实验相关信息。截至目前,在重叠关联成像方法中已经能够:同时重建得到样品和探针的精确信息;能够精确求解实验中探针扫描位置的误差;能够对衍射图样延拓外推实现对样品的超分辨成像;能够在不旋转样品的情况下重建其三维结构;能够重建入射光部分空间相干性导致的混合态信息;能够重建具有量子多重态的样品信息;能够利用样品对不同波长或空间模式的入射光的差异响应实现信息复用,等等。基于重叠关联成像方法拥有上述的众多优势,并立足于国际最前沿的研究方向,本文主要工作围绕软X射线扫描相干衍射成像方法进行,取得的主要成果如下:(1)搭建实验平台,在实验上实现了ptychography方法。此工作分别在上海同步辐射光源的软X射线谱学显微线站(BL08U1-A)和加拿大光源的软X射线谱学显微线站(SM,10ID-1)开展并完成。目前,在两条线站原有的扫描透射X射线显微成像(STXM)实验平台的基础上分别完成了ptychography实验平台的搭建。而且完成了重建程序的GPU化。两条线站均可以方便地开展ptychography实验,并借助搭载高性能GPU的工作站对样品图像实时在线重建。(2)对不同类型的样品进行成像实验。在上海光源BL08U1-A线站,已经对包括标准分辨率靶(强散射样品)、铂钴合金纳米颗粒(催化材料)、乳腺癌细胞(生物样品)在内的不同样品进行了成像实验。在加拿大光源SM线站,对包括标准分辨率靶、纳米金颗粒(纳米科学)、聚苯乙烯光子晶体(材料科学)、磁小体纳米链(生物样品产物)在内的不同样品进行了实验。所有成像实验均取得了高质量的重建图像。该实验方法很快将会在两条线站对用户开放。(3)研究了ptychography实验中,离焦大光斑扫描模式和聚焦小光斑扫描模式的差异。结果表明:聚焦小光斑模式在足够高的扫描精度下能够对样品实现更高质量的成像,但是其对扫描误差容忍度有限;离焦大光斑模式虽然由于探针的光子面密度较低,成像质量稍差,但是能够容忍较大的扫描误差,显著降低对样品的辐照剂量,而且对样品进行大范围扫描的时候实验时间可以大幅缩短。(4)系统地研究了ptychography实验数据中的背景噪声是如何影响重建样品图像质量的。本文首先给出了几种针对不同分布规律的噪声进行扣除的方法,并利用数值模拟和实验数据验证了其有效性。通过对比某特定噪声分布的衍射图样在扣除噪声前后重建得到的样品图像的差异,确定该分布规律的噪声是如何影响重建结果的。结果表明:局域性的残留噪声即使强度较大一般也只对重建图像中的精细结构产生影响,而呈均匀分布的残留噪声即使强度很弱也会较严重的影响重建图像质量;本文提供的几种背底噪声扣除方法对重建图像质量提高的正面作用超过由于高频信号丢失带来的负面作用;去除噪声可以提高衍射图样间的一致相关性,所以在相位恢复和图像重建的过程中,部分丢失的衍射信号可以被重建恢复出来。(5)研究了如何利用混合态分解算法提高ptychography的重建图像质量,包括利用多模式探针算法和子像素上采样算法。结果表明,两种混合态分解算法均能够显著改善重建图像的质量,但多模式探针算法在消除入射探针的非相干效应方面更胜一筹。另外我们也证明在利用大探针光斑进行样品扫描,从而导致重建质量严重下降的情况下,子像素上采样算法能够显著地改善重建结果。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28426
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
王春鹏. 软X射线扫描相干衍射成像方法学研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2016.
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