基于扫描相干衍射成像技术的新型低剂量三维成像方法研究

The ptychographic coherent diffractive imaging (PCDI) is a novel lensless imaging technology under rapid development in recent years, which has the imaging capability of high resolution, high stability and multiple functions. As is well known, compared to the two-dimensional (2D) high-resolution structural information of a specimen, the nanoscale three-dimensional (3D) structural information is more significant to material science and biology. Therefore, PCDI was soon generalized to 3D imaging after its great success in 2D imaging. In this project, we will make great efforts to develop the ultimate-resolution 3D PCDI technology and data analysis methods based on STXM, and try hard to elevate the 3D spatial resolving power of Shanghai light source. The emphasis is put on the development of new low-dose high-resolution 3D imaging methods based on the direct coupled ptychographic tomography and the multi-slice approach, to satisfy the active demand for the in-situ 3D ultimate resolution techniques in the leading edge sciences such as material, life, environment, etc. In the meantime, by combination with other ptychography technologies (such as superresolution, fly-scan, etc), we will explore and develop more novel low-dose 3D PCDI techniques to implement nanoscale 3D imaging with higher efficiency and better conveniece. The new 3D imaging methods developed in this project will broaden the research potential and application field of our synchrotron light source, and enable the light source to provide better services for high-level scientific research of users from all over the world.

扫描相干衍射成像（PCDI）是近年来快速发展的一种新型无透镜成像技术，具有高分辨、高稳定性、多功能的成像能力。众所周知，相对于样品的二维高分辨结构信息，纳米尺度的三维结构信息对于材料和生命科学来说具有更为重要的意义。所以PCDI在二维成像上获得巨大成功后，很快就被拓展至三维成像。本项目将全力发展基于STXM的极限分辨三维PCDI技术和数据分析方法，大力提升上海光源的三维空间分辨能力。重点发展基于直接耦合PXCT（扫描相干衍射X射线CT）和多切片方法的新型低剂量高分辨三维成像方法学，以满足生命、材料、环境等前沿科学对原位三维极限分辨技术的迫切需求。同时还将结合其他PCDI技术（如超分辨、飞扫等），探索和发展更加新异的低剂量三维PCDI技术，以实现更为高效便捷的三维纳米尺度成像。本项目所发展的新型三维成像方法将进一步拓宽同步光源的科研潜力和应用领域，使光源更好的服务于国内外用户的高水平研究。

本项目大幅完善和提升了上海光源BL08U1A线站的扫描相干衍射成像（又叫层叠衍射成像，英文ptychography或scanning CDI或PCDI）技术和实验平台，推进二维ptychography方法的日臻成熟，并实现了新型低剂量三维成像方法的突破，在软件方面自主发展和改进了多种新型的ptychography重构算法和程序。首先我们在BL08U1A线站的新STXM实验站上发展了基于时序控制的快速双向扫描STXM技术，成像效率提升近十倍；在此基础上实现了ptychography成像能力，并建立了全自动的能量堆栈ptychography数据采集技术，实现了基于ptychography的高分辨谱学成像能力。在二维ptychography成像方法方面，提出了新颖的位置引导振动分离ptychography方法PGVS，有效抑制了系统振动对重建图像的影响；提出了新型的周期性网格噪声消除算法PASA，并基于静态强度概念提出了周期性噪声产生的新机制；基于菲涅尔波带片光学提出了优化的初始探针构建方案；提出了一种基于梯度下降法的新型背景噪声分离算法，大幅提高了ptychography重建图像质量；提出了基于Fresnel相干衍射成像的位置校正算法, 为ptychography图像重建提供精确的扫描位置信息；实现并优化了动量加速ptychography算法，大幅提升了图像重建速度及质量。在三维成像方法方面，基于STXM发展了新型焦点堆栈三维成像方法，实现了对稀疏样品的快捷STXM三维成像；实现了多切片ptychography三维成像方法，考察了X光发散度对多切片扫描相干衍射成像质量的影响，发现较高的X光发散度有利于获得更好的多切片成像质量；首次提出了虚拟深度扫描ptychography三维成像方法，实现了极低辐射剂量对光学厚样品的快速三维成像；在此基础上，进一步发展了深度扫描ptychography三维成像算法，有望进一步提高深度方向分辨率。我们还将所发展的ptychography方法成功用于新型kinoform波带片聚焦性能的高灵敏表征，获得了聚焦光场、焦深、焦斑尺寸等定量信息。同时，我们还设计和初步搭建了可移动硬X射线层叠相干衍射成像平台，为利用上海光源二期新增的优质硬X射线线站开展三维ptychography方法学及应用研究奠定了基础。本项目已发表论文11篇，申请专利三项。