CDI相干衍射成像綜述報(bào)告PPT課件.pptx

CDI綜合報(bào)告 江琦7 12 2020 3 18 1 相干衍射成像原理 一束相干衍射光照射樣品 利用X射線探測(cè)器收集樣品在遠(yuǎn)場(chǎng)處的相干衍射圖樣 通過(guò)過(guò)度取樣和迭代算法對(duì)衍射圖樣進(jìn)行相位恢復(fù)和圖像重建 2020 3 18 2 發(fā)展歷程 相干X射線衍射成像在X射線晶體學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái) 1952年 sayre在shannon晶體采樣理論的基礎(chǔ)上提出 如果可以記錄晶體bragg衍射斑之間的信號(hào)強(qiáng)度 也許會(huì)有足夠的信息來(lái)直接解析晶體的衍射圖樣 1980年 sayre指出非周期性獨(dú)立樣品的相干衍射圖樣是連續(xù)的 不受bragg衍射斑的限制 可以獲得足夠的信息 X射線晶體學(xué)的衍射理論同樣適用于解析非周期性獨(dú)立樣品的結(jié)構(gòu) 1999年 miao首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)相干衍射成像 高亮度的相干衍射光源是CDI實(shí)驗(yàn)的保證 目前 CDI在物理學(xué) 生物學(xué) 材料學(xué)方面得到廣泛利用 2020 3 18 3 優(yōu)勢(shì) CDI成像過(guò)程不使用任何X射線聚焦元件 擺脫了X射線聚焦元件對(duì)于成像分辨率的限制 X射線與樣品的作用是X射線樣品電子的作用 記錄的樣品衍射圖樣反映了樣品的電子密度 使得對(duì)樣品成分的定量分析成為可能 CDI可以同時(shí)提供樣品的強(qiáng)度和相位襯度圖像 在自然狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高襯度定量成像 CDI可以與多種X射線相結(jié)合 如X射線近邊吸收 X射線熒光技術(shù)等 在獲得高分辨圖像的同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)元素的特異性成像 2020 3 18 4 存在的問(wèn)題 成像系統(tǒng)中由于使用了直射光遮光板 會(huì)導(dǎo)致中心數(shù)據(jù)丟失 需要使用STXM的成像結(jié)果來(lái)補(bǔ)充 2020 3 18 5 幾種CDI成像方法原理 平面波CDI成像 原理簡(jiǎn)單 對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性要求較低 樣品必須處于光束范圍內(nèi) 限制了樣品尺寸 掃描CDI成像 圖像重建的收斂速度更快 重建結(jié)果更好 樣品尺寸不受限制 對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性要求較高 樣品的震動(dòng)對(duì)成像結(jié)果影響明顯 菲涅爾CDI成像 光路系統(tǒng)中不需要直射光遮光器 相位恢復(fù)和重建收斂速度快 樣品尺寸不受限制 對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性要求高 對(duì)震動(dòng)敏感 BraggCDI成像 主要用于研究納米晶體 2020 3 18 6 相位問(wèn)題 對(duì)于密度為 樣品 其相干衍射圖像為該樣品密度的傅里葉變換F q 而CCD只能記錄衍射圖樣的強(qiáng)度信息 所以只要解決了相位丟失的問(wèn)題 就可根據(jù)反傅里葉變換得到樣品的電子密度 2020 3 18 7 相位問(wèn)題 對(duì)于CDI成像 根據(jù)夫瑯禾費(fèi)近似條件 樣品遠(yuǎn)場(chǎng)處的衍射圖樣為其電子密度的傅里葉變換 而探測(cè)器記錄的衍射圖樣只是其強(qiáng)度信息 根據(jù)對(duì)CCD探測(cè)衍射強(qiáng)度的反傅里葉變換為樣品電子密度的自相關(guān)函數(shù) 所得結(jié)果尺寸為樣品各維度的2倍 2020 3 18 8 相位信息決定重建結(jié)果 2020 3 18 9 相位恢復(fù) 相位恢復(fù) 過(guò)采樣理論 迭代算法 HIO算法 GHIO算法 ER算法 G S迭代算法 2020 3 18 10 過(guò)采樣理論 a Nyquist頻率取樣的衍射圖樣b 對(duì)應(yīng)a圖的實(shí)空間樣品c 4倍Nyquist頻率取樣的衍射圖樣d 對(duì)應(yīng)C圖的實(shí)空間樣品 2020 3 18 11 過(guò)采樣理論 根據(jù)這一理論 beta在1982年提出當(dāng)衍射圖樣在各維度的取樣頻率至少為2時(shí) 能夠從樣品的衍射圖樣中重構(gòu)出樣品結(jié)構(gòu) 1998年 Miao提出bate的取樣理論太苛刻 提出過(guò)取樣率的概念 表示在 方向被 yquist間距分隔的采樣頻率當(dāng) 2表示相關(guān)強(qiáng)度點(diǎn)數(shù)量大于未知變量數(shù) 則相位信息能被唯一確定 未知變量數(shù)等于樣品結(jié)構(gòu)采樣陣列的立體像素的數(shù)目 2020 3 18 12 相位恢復(fù)算法基本流程 Gerchberg Saxton算法 2020 3 18 13 ER Error Reduction HIO HybridInput Output ER和HIO算法都在G S迭代算法基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái) 區(qū)別只是在實(shí)空間引入的限定條件不同 二者引入的是有限尺寸和正密度約束條件 對(duì)于密度為 樣品 其相干衍射圖像為該樣品密度的傅里葉變換F q 二者的限定條件分別為 2020 3 18 14 重建效果的評(píng)定 real 2 2差異系數(shù) 2020 3 18 15 GHIO GuideHybridInput Output 2020 3 18 16 Ptychography scanningCDI 江琦6 28 2020 3 18 17 Ptychography的發(fā)展背景 CDI概念在1970左右被提出 相位還原問(wèn)題是CDI的核心問(wèn)題 從最早的G S算法 到Fineup改進(jìn)的ER和HIO算法 但是ER和HIO算法都容易陷入局部最優(yōu)解的陷阱 且傳統(tǒng)CDI視場(chǎng)小 限制了樣品尺寸 為了解決以上問(wèn)題 2004年Rodenburg提出了可擴(kuò)展成像范圍的相位恢復(fù)技術(shù) PIE技術(shù) PtychographicalIterativeEngine PIE是一種結(jié)合橫向掃描的數(shù)據(jù)記錄和重建方法 該方法對(duì)待測(cè)物體用相干照明光進(jìn)行陣列掃描 同時(shí)記錄各個(gè)位置的衍射光斑 保證相鄰位置直接有一定的重疊部分 重疊部分的數(shù)據(jù)含有干涉效應(yīng)的應(yīng)用 所以收斂速度和成像質(zhì)量都得到質(zhì)的提高 2020 3 18 18 PIE算法基本原理 照明光P r 入射到分布為O r 的樣品上 r為待測(cè)物體面的坐標(biāo) PIE的成功的關(guān)鍵在相鄰掃描位置之間有一定的重疊 重疊區(qū)域起到了參考光的作用 可以對(duì)不同位置之間的相位關(guān)系進(jìn)行鎖定 2020 3 18 19 迭代過(guò)程 PIE算法將采集到的J副圖像以隨機(jī)次序S j j 1 2 J 代入進(jìn)行迭代運(yùn)算 1 首先賦予待測(cè)樣品一個(gè)隨機(jī)初始猜測(cè)值 n代表迭代次數(shù) 樣品后的透射廣場(chǎng)復(fù)振幅為 式中 為第S j 個(gè)衍射光斑對(duì)應(yīng)的照明光和物體的相對(duì)位移 2 將 的相位和振幅提取 即將 傳輸?shù)紺DD上 u為光斑記錄面的坐標(biāo) F代表正向傳播過(guò)程 2020 3 18 20 迭代過(guò)程 3 對(duì)上一步的進(jìn)行振幅約束 用觀察到的衍射光斑的強(qiáng)度的平方根代替上式計(jì)算所得的振幅 保留相位 表示第s j 個(gè)衍射光斑的光強(qiáng) 4 將更新后的廣場(chǎng)反傳回樣品表面 2020 3 18 21 迭代過(guò)程 5 對(duì)樣品透過(guò)率函數(shù)進(jìn)行更新 更新公式為 是調(diào)節(jié)收斂步長(zhǎng)的參數(shù) 6 將 作為初始輸入 對(duì)下一掃描位置重復(fù) 1 5 直到所有位置都進(jìn)行一次更新后完成一次迭代 計(jì)算誤差為 2020 3 18 22 Ptychography重疊部分的作用 Ptycho來(lái)自希臘語(yǔ) 意思是重疊 所有ptychography又稱為重疊關(guān)聯(lián)成像 重疊部分的區(qū)域起到了全息成像中參考光的作用 可以確定不同區(qū)域之間的相對(duì)相位 2020 3 18 23 Ptychography重疊部分的作用 2020 3 18 24 Ptychography重疊部分的作用 2020 3 18 25 技術(shù)問(wèn)題 使用上述方法對(duì)物體進(jìn)行成像在技術(shù)上有5個(gè)問(wèn)題需要解決 進(jìn)行機(jī)械掃描時(shí) 由于機(jī)構(gòu)的遲滯效應(yīng)或者回程誤差 實(shí)際掃描位置難以精確知曉 照明光P r 的強(qiáng)度和相位分布需要精確預(yù)知 這對(duì)許多實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)很難實(shí)現(xiàn) 物體的透射光等于照明光和物體透過(guò)函數(shù)的乘積 前提是物體是一個(gè)可以忽略厚度的二維樣品 然而樣品都是有厚度的 厚樣品更是無(wú)法計(jì)算 和傳統(tǒng)的CDI樣品一樣 PIE要求光源為完全相干光源 對(duì)于X射線和電子束來(lái)說(shuō) 這個(gè)要求很難達(dá)到 PIE算法需要照明光對(duì)物體進(jìn)行陣列掃描 數(shù)據(jù)記錄時(shí)間長(zhǎng) 因此對(duì)光源穩(wěn)定性和樣品穩(wěn)定性都有較高要求 如何提高采集速度 甚至實(shí)現(xiàn)單次測(cè)量是PIE的研究方向 2020 3 18 26 解決辦法 1 針對(duì)弱散射樣品 pan等人提出一種改進(jìn)辦法 相對(duì)位置不再由平移臺(tái)控制軟件讀出 而是在記錄光斑分布的同時(shí)讀出相應(yīng)的移動(dòng)距離 缺點(diǎn)是僅適用于弱散射樣品 且對(duì)CCD靶面尺寸要求較高 2020 3 18 27 解決辦法 2 照明光自動(dòng)重建 PIE要求照明光P r 分布精確預(yù)知 但是實(shí)際使用中 光學(xué)元件和環(huán)境擾動(dòng)導(dǎo)致的波前畸變無(wú)法精確預(yù)知 2020 3 18 28 解決辦法 對(duì)于有厚度的樣品 有人提出3PIE算法 可以解決厚樣品的重建問(wèn)題 2020 3 18 29 解決辦法 光源相干性的影響及處理 PIE要求光源完全相干 但實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)有時(shí)用相干性不理想的電子束可以得到不錯(cuò)的重構(gòu)像 2020 3 18 30 解決辦法 針對(duì)成像時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題 2013年劉誠(chéng)提出用光柵分光法實(shí)現(xiàn)PIE的單次曝光PIE方法 基本思路是通過(guò)一個(gè)正交光柵將入射光分為衍射方向不同的子光束照明樣品 并用CCD同時(shí)記錄多個(gè)衍射光斑 2020 3 18 31 單次曝光PIE方法 2020 3 18 32 單次曝光PIE方法 成像誤差函數(shù) 經(jīng)過(guò)800次迭代后誤差變?yōu)? 007 標(biāo)準(zhǔn)PIE重建的誤差可以達(dá)到10 5 2020 3 18 33 單次曝光PIE方法 2020 3 18 34 飛掃 Fly scanptychography 標(biāo)準(zhǔn)ptychography是分段掃描 在獲取數(shù)據(jù)之前 需要樣品移動(dòng)完成并且固定在指定位子 這個(gè)分段掃描花費(fèi)的時(shí)間步進(jìn)電機(jī)每個(gè)像素100ms 壓電馬達(dá)每個(gè)像素20ms 最終整個(gè)數(shù)據(jù)獲取會(huì)積累成一個(gè)很大的數(shù)字 對(duì)于器材的穩(wěn)定性和樣本的穩(wěn)定性提出很高要求飛掃原理 樣品沿著快速掃描方向連續(xù)的移動(dòng) 探測(cè)器與樣本同步移動(dòng)相同的距離 運(yùn)用動(dòng)態(tài)成像ptychography的方法進(jìn)行處理可以重建樣品結(jié)構(gòu) 2020 3 18 35 飛掃 Fly scanptychography 遠(yuǎn)場(chǎng)衍射強(qiáng)度是由單色和相干光源照射在靜止的樣品上 j代表位置 則有 若是部分相