CDI相干衍射成像综述报告.ppt

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1、CDI综合报告江琦7-12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

2、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。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。存

3、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。相位问题相位问题对于CDI成像，根据夫琅禾费近似条件

4、，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。相位信息决定重建结果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图的实空间样品过采样理论相位恢复算法基本流程Gerchberg-Saxton算法ER（Error-Reduction）&HIO（HybridInp

5、ut-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二者的限定条件分别为：重建效果的评定GHIO（GuideHybridInput-Output）Ptychography/scanningCDI江琦6-28Ptychography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

6、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。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

7、间的相位关系进行锁定。迭代过程迭代过程迭代过程Ptychography重叠部分的作用Ptycho来自希腊语“πτυξ”，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。Ptychography重叠部分的作用Ptychography重叠部分的作用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

8、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