CDI相干衍射成像综述报告PPT课件.pptx

CDI综合报告 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样品 利用X射线探测器收集样品在远场处的相干衍射图样 通过过度取样和迭代算法对衍射图样进行相位恢复和图像重建 2020 3 18 2 发展历程 相干X射线衍射成像在X射线晶体学的基础上发展而来 1952年 sayre在shannon晶体采样理论的基础上提出 如果可以记录晶体bragg衍射斑之间的信号强度 也许会有足够的信息来直接解析晶体的衍射图样 1980年 sayre指出非周期性独立样品的相干衍射图样是连续的 不受bragg衍射斑的限制 可以获得足够的信息 X射线晶体学的衍射理论同样适用于解析非周期性独立样品的结构 1999年 miao首次在实验上实现相干衍射成像 高亮度的相干衍射光源是CDI实验的保证 目前 CDI在物理学 生物学 材料学方面得到广泛利用 2020 3 18 3 优势 CDI成像过程不使用任何X射线聚焦元件 摆脱了X射线聚焦元件对于成像分辨率的限制 X射线与样品的作用是X射线样品电子的作用 记录的样品衍射图样反映了样品的电子密度 使得对样品成分的定量分析成为可能 CDI可以同时提供样品的强度和相位衬度图像 在自然状态下实现高衬度定量成像 CDI可以与多种X射线相结合 如X射线近边吸收 X射线荧光技术等 在获得高分辨图像的同时也可以实现元素的特异性成像 2020 3 18 4 存在的问题 成像系统中由于使用了直射光遮光板 会导致中心数据丢失 需要使用STXM的成像结果来补充 2020 3 18 5 几种CDI成像方法原理 平面波CDI成像 原理简单 对设备稳定性要求较低 样品必须处于光束范围内 限制了样品尺寸 扫描CDI成像 图像重建的收敛速度更快 重建结果更好 样品尺寸不受限制 对设备稳定性要求较高 样品的震动对成像结果影响明显 菲涅尔CDI成像 光路系统中不需要直射光遮光器 相位恢复和重建收敛速度快 样品尺寸不受限制 对设备稳定性要求高 对震动敏感 BraggCDI成像 主要用于研究纳米晶体 2020 3 18 6 相位问题 对于密度为 样品 其相干衍射图像为该样品密度的傅里叶变换F q 而CCD只能记录衍射图样的强度信息 所以只要解决了相位丢失的问题 就可根据反傅里叶变换得到样品的电子密度 2020 3 18 7 相位问题 对于CDI成像 根据夫琅禾费近似条件 样品远场处的衍射图样为其电子密度的傅里叶变换 而探测器记录的衍射图样只是其强度信息 根据对CCD探测衍射强度的反傅里叶变换为样品电子密度的自相关函数 所得结果尺寸为样品各维度的2倍 2020 3 18 8 相位信息决定重建结果 2020 3 18 9 相位恢复 相位恢复 过采样理论 迭代算法 HIO算法 GHIO算法 ER算法 G S迭代算法 2020 3 18 10 过采样理论 a Nyquist频率取样的衍射图样b 对应a图的实空间样品c 4倍Nyquist频率取样的衍射图样d 对应C图的实空间样品 2020 3 18 11 过采样理论 根据这一理论 beta在1982年提出当衍射图样在各维度的取样频率至少为2时 能够从样品的衍射图样中重构出样品结构 1998年 Miao提出bate的取样理论太苛刻 提出过取样率的概念 表示在 方向被 yquist间距分隔的采样频率当 2表示相关强度点数量大于未知变量数 则相位信息能被唯一确定 未知变量数等于样品结构采样阵列的立体像素的数目 2020 3 18 12 相位恢复算法基本流程 Gerchberg Saxton算法 2020 3 18 13 ER Error Reduction HIO HybridInput Output ER和HIO算法都在G S迭代算法基础上发展而来 区别只是在实空间引入的限定条件不同 二者引入的是有限尺寸和正密度约束条件 对于密度为 样品 其相干衍射图像为该样品密度的傅里叶变换F q 二者的限定条件分别为 2020 3 18 14 重建效果的评定 real 2 2差异系数 2020 3 18 15 GHIO GuideHybridInput Output 2020 3 18 16 Ptychography scanningCDI 江琦6 28 2020 3 18 17 Ptychography的发展背景 CDI概念在1970左右被提出 相位还原问题是CDI的核心问题 从最早的G S算法 到Fineup改进的ER和HIO算法 但是ER和HIO算法都容易陷入局部最优解的陷阱 且传统CDI视场小 限制了样品尺寸 为了解决以上问题 2004年Rodenburg提出了可扩展成像范围的相位恢复技术 PIE技术 PtychographicalIterativeEngine PIE是一种结合横向扫描的数据记录和重建方法 该方法对待测物体用相干照明光进行阵列扫描 同时记录各个位置的衍射光斑 保证相邻位置直接有一定的重叠部分 重叠部分的数据含有干涉效应的应用 所以收敛速度和成像质量都得到质的提高 2020 3 18 18 PIE算法基本原理 照明光P r 入射到分布为O r 的样品上 r为待测物体面的坐标 PIE的成功的关键在相邻扫描位置之间有一定的重叠 重叠区域起到了参考光的作用 可以对不同位置之间的相位关系进行锁定 2020 3 18 19 迭代过程 PIE算法将采集到的J副图像以随机次序S j j 1 2 J 代入进行迭代运算 1 首先赋予待测样品一个随机初始猜测值 n代表迭代次数 样品后的透射广场复振幅为 式中 为第S j 个衍射光斑对应的照明光和物体的相对位移 2 将 的相位和振幅提取 即将 传输到CDD上 u为光斑记录面的坐标 F代表正向传播过程 2020 3 18 20 迭代过程 3 对上一步的进行振幅约束 用观察到的衍射光斑的强度的平方根代替上式计算所得的振幅 保留相位 表示第s j 个衍射光斑的光强 4 将更新后的广场反传回样品表面 2020 3 18 21 迭代过程 5 对样品透过率函数进行更新 更新公式为 是调节收敛步长的参数 6 将 作为初始输入 对下一扫描位置重复 1 5 直到所有位置都进行一次更新后完成一次迭代 计算误差为 2020 3 18 22 Ptychography重叠部分的作用 Ptycho来自希腊语 意思是重叠 所有ptychography又称为重叠关联成像 重叠部分的区域起到了全息成像中参考光的作用 可以确定不同区域之间的相对相位 2020 3 18 23 Ptychography重叠部分的作用 2020 3 18 24 Ptychography重叠部分的作用 2020 3 18 25 技术问题 使用上述方法对物体进行成像在技术上有5个问题需要解决 进行机械扫描时 由于机构的迟滞效应或者回程误差 实际扫描位置难以精确知晓 照明光P r 的强度和相位分布需要精确预知 这对许多实验来说很难实现 物体的透射光等于照明光和物体透过函数的乘积 前提是物体是一个可以忽略厚度的二维样品 然而样品都是有厚度的 厚样品更是无法计算 和传统的CDI样品一样 PIE要求光源为完全相干光源 对于X射线和电子束来说 这个要求很难达到 PIE算法需要照明光对物体进行阵列扫描 数据记录时间长 因此对光源稳定性和样品稳定性都有较高要求 如何提高采集速度 甚至实现单次测量是PIE的研究方向 2020 3 18 26 解决办法 1 针对弱散射样品 pan等人提出一种改进办法 相对位置不再由平移台控制软件读出 而是在记录光斑分布的同时读出相应的移动距离 缺点是仅适用于弱散射样品 且对CCD靶面尺寸要求较高 2020 3 18 27 解决办法 2 照明光自动重建 PIE要求照明光P r 分布精确预知 但是实际使用中 光学元件和环境扰动导致的波前畸变无法精确预知 2020 3 18 28 解决办法 对于有厚度的样品 有人提出3PIE算法 可以解决厚样品的重建问题 2020 3 18 29 解决办法 光源相干性的影响及处理 PIE要求光源完全相干 但实验中却发现有时用相干性不理想的电子束可以得到不错的重构像 2020 3 18 30 解决办法 针对成像时间长的问题 2013年刘诚提出用光栅分光法实现PIE的单次曝光PIE方法 基本思路是通过一个正交光栅将入射光分为衍射方向不同的子光束照明样品 并用CCD同时记录多个衍射光斑 2020 3 18 31 单次曝光PIE方法 2020 3 18 32 单次曝光PIE方法 成像误差函数 经过800次迭代后误差变为0 007 标准PIE重建的误差可以达到10 5 2020 3 18 33 单次曝光PIE方法 2020 3 18 34 飞扫 Fly scanptychography 标准ptychography是分段扫描 在获取数据之前 需要样品移动完成并且固定在指定位子 这个分段扫描花费的时间步进电机每个像素100ms 压电马达每个像素20ms 最终整个数据获取会积累成一个很大的数字 对于器材的稳定性和样本的稳定性提出很高要求飞扫原理 样品沿着快速扫描方向连续的移动 探测器与样本同步移动相同的距离 运用动态成像ptychography的方法进行处理可以重建样品结构 2020 3 18 35 飞扫 Fly scanptychography 远场衍射强度是由单色和相干光源照射在静止的样品上 j代表位置 则有 若是部分相