X光发散度对多切片扫描相干衍射成像质量的影响

发布时间：2020-10-20 09:59

　　 作为一种新兴的无透镜显微技术,相干衍射成像(CDI)方法在当今的材料、生物、医学等领域的二维和三维高分辨成像中都有了很多成功的应用。传统的平面波CDI成像技术要求满足孤立样品条件且样品尺寸必须小于光斑,该条件大大的限制了成像视场;而且传统CDI重建算法还存在收敛慢、不收敛或重建停滞、重建结果不唯一等诸多缺点。为了克服这些缺陷,一种新型的CDI成像方法,扫描CDI或层叠衍射成像技术(ptychographic CDI,PCDI)被Rodenberg等人提出。PCDI原则上对垂直光轴的样品的大小没有任何要求,它采用一个局域照明探针对样品进行扫描,而且每一个探针扫描位置均与相邻的扫描位置有部分重叠,同时记录每个扫描点产生的远场衍射花样,这一系列的衍射花样将被用于后续的相位恢复计算和重建成像。由于重叠采样的原因使得记录的一整套衍射花样中含有大量的相互关联的冗余信息,这些冗余数据不仅可以改善重建算法的收敛性,而且可以同时重建得到样品的透射函数和入射探针函数,获得多方面的样品物理和结构信息,进行高分辨率的定量成像。随着成像技术的发展,单纯的样品二维成像已经不再能满足人们的信息需求,为了获取样品空间结构上的更多信息,在PCDI的基础上,多种三维成像的方法被提出并使用。传统的PCDI三维成像技术需要不停的旋转样品以记录足够多入射角度下的二维PCDI衍射花样,即需要进行上百次的PCDI成像,这使得实验工作量以及实验数据过于庞大,极大的影响了实验和数据处理的效率。而近年提出的多切片三维成像方法,只需要通过单次的二维扫描CDI的衍射数据即可获得样品空间结构在第三个维度上的部分信息。多切片方法的核心是在重建中对样品沿入射光方向进行切片分层,并且认定入射波在相邻切片间进行自由空间内的近场传播,通过对收集到的远场衍射花样进行迭代反演重建出各层切片上的样品透射函数和入射探针函数,从而得到样品三维空间结构上的复数折射率分布信息。为了改善多切片方法的收敛性和图像重建质量,本文先是验证并优化了驰豫系数和扫描重叠度对成像质量的影响,研究表明对应入射波的弛豫参数β越大,越接近α(对应样品更新的弛豫参数),重建效率更好;扫描重叠度越高,重建质量更高。以此为基础,我们选取较优的参数,通过模拟计算系统地研究了入射光的发散度(数值光阑)对多切片方法的重建效果的影响。结果表明,入射光的发散度越高(数值光阑越高),多切片方法图像迭代重建的收敛越快,图像的重建质量也更好;而选择较小的入射光发散度则不利于三维成像的高质量重建。本文还考察了入射光低发散度的极端情形——平行光探针的多切片方法重建效果,发现利用平行光入射虽然仍可以重建出样品图像的大致轮廓,但相较于高发散度的入射波情形,重建质量显著较差,几乎可认为重建未收敛,故不宜采用。以上结论对于多切片成像实验中聚焦光学的选择和设置具有重要的指导意义,如选择焦距更小的波带片或较低的入射X射线能量,将更有希望获得好的多切片成像质量。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O436.1
【部分图文】：

系我们可以由伯恩近似条件得知。在已知了这一关系的基础上，如果我建出样品在实空间中的结构信息，则需要同时得到相干衍射图样的强度相位信息，这就是相干衍射成像的核心。衍射图样强度信息我们可以探接获取。而相位信息探测器并不能直接记录，而相位信息探测器并不能录，因此根据实验数据对相位信息进行求解和重建，是相干衍射成像的题和困难所在。而在此之前我们需要确定衍射图样中的信息跟样品结构的相位关系。对于非晶样品，如果我们依然采用非相干光照射，我们并定衍射信号跟样品结构的相位关系，这是因为非晶样品内部结构不再具的周期性，由非相干光照射非晶样品采集到的衍射信号十分模糊，；而干光源（X射线，电子束，激光等都可行）照射时，在一定的条件下，我获得微弱但是连续的衍射信号，跟样品具有确切的相位关系，才够进行的相位重建和恢复。这些条件和相位关系我们会在后面的章节中讨论。

X光发散度对多切片相干衍射成像质量的影响1.2.1 相干衍射成像的现状图1-2 （a）（b）（c）（d）分别为平面波CDI、菲涅耳CDI、布拉格CDI和扫描CDI的原理示意图图1-2 (a)是平面波CDI的原理示意图，严格相干的X射线光束照射孤立的物体后到达探测器，由探测器采集衍射图样。孤立样品的衍射是很弱的，强烈的中心直透光势必会对探测器信号造成破坏。为了避免这个问题，因此我们往往会选择加装挡板来阻挡中心的直透光，以便探测器能够更好的测量出样品的衍射图像。但平面破CDI成像技术有着很大的局限性，孤立样品必须小于入射光斑才能得到完整的衍射图样，这一条件极大的限制了成像视场，另外平面波CDI的重建恢复算法还有很多其他的问题，如算法收敛慢，重建结果不唯一，有时还会出现收敛迭代停滞的情况。图1-2 (b)是菲涅耳CDI的原理示意图

（CDI）方法的二维和三维成像中都有了很多成功的应用，包括生物样品及各种材料材料的三维结构成像，样品的元素分布及定量分析等。比如在Spring-8光源中通过相干X射线衍射成像，成功地重建出了人体染色体的图样。其实验装置如图1-3所示，同步辐射发射的相干X射线通过针孔光阑照射样品，通过样品的出射波进行自由传播由远场的CCD接受到远场衍射图样。该实验中，为了得到样品第三维度上的结构信息，选择了在70°到-70°之间，以每2.5°为间隔记录了足够多入射角度下的二维PCDI衍射花样，然后通过这些衍射花样进行三维成像的重建来获取染色体的形状。这种传统的三维相干衍射成像方法的通过不停的旋转样品以记录足够多入射角度下的二维CDI衍射花样，需要进行上百次的CDI成像
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本文编号：2848540