怀远股票色散样品的超宽带叠层扫描成像

X射线叠层扫描成像技术是X射线同步辐射装置上一种有效的成像技术。实验室规模的X射线源的时间相干性差，通量低，严重阻碍了X射线叠层扫描成像技术的实现。对材料的精确表征、半导体器件的非破坏性检测以及生物样品在其自然状态下的高分辨率成像的日益增长的需求突出了X射线成像的至关重要性，其提供了无与伦比的深度穿透和复杂内部结构的纳米级分辨率的能力。由于不需要高分辨率的优点，高质量的成像透镜并且具有理论上仅受照明波长限制的空间分辨率，叠层扫描成像已经成为X射线成像中的主流方法之一。它是一种扫描相干衍射成像(CDI)方法，通过部分重叠的样品扫描来增加数据冗余，并使用特定的相位恢复算法来实现高质量的定量相位成像。因此，X射线叠层扫描成像已广泛应用于生物和材料样品的纳米级结构测量、化学成分的空间映射以及集成电路架构和表面形态的无损测量。由于对高通量和高相干照明的需求，这些实验大多限于同步加速器设施。

近年来，实验室X射线源，特别是液态金属射流X射线源和高次谐波产生极紫外源的技术进步显著增加了它们的亮度，使得它们越来越适合于无透镜成像技术。然而，实验室X射线源通常具有相对大的带宽，需要单色滤波以满足叠层扫描成像的完全相干模型假设。该过程显著降低了源的可用通量，从而影响了剂量受限的空间分辨率和图像质量。因此，通过算法补偿宽带光源的影响，直接使用未经滤波的高通量照明成像是一种有效的方法。

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最新的宽带衍射成像方法可以通过数值计算获得光谱信息，从而实现更精确的数值单色化。虽然这种方法部分补偿了样品吸收和探测器量子效率引起的光谱变化，但在叠层扫描成像的每个扫描区域中复杂色散样品的光谱变化无法预先确定，不同于相干模式分解的另一种部分相干模型是卷积模型，它为这些挑战提供了潜在的解决方案。该模型通过将封装相干信息的核与完全相干的衍射图案进行卷积来表示低相干的衍射图案。通过在算法的迭代重建过程中引入盲解卷积步骤，可以逐步更新模糊核，从而补偿低空间或时间相干性的影响。

该文提出了一种超宽带叠层扫描成像方法，该方法结合了宽带卷积模型，使色散样品成像而无需先验光谱信息。该文的方法使用称为联合反卷积算法的多核迭代反卷积更新策略，结合数据采集中相位掩模提供的结构照明，该文强调了色散样本当前方法失败的关键原因，并展示了一种显着改进的方法，用于处理样本的不同区域表现出不同的光谱特性的情况。所提出的超宽带方法原则上适用于任何波长范围内的宽带源，包括实验室规模的X射线和极紫外源。该工作以“Ultra-broadband ptychography for dispersive samples”为题发表于期刊Nature Communications。

如图1中的示意图所示，在远场叠层扫描成像中，宽带照明穿过结构化孔径以形成探针，该探针随后在与其传播方向正交的样品平面上扫描。相邻扫描位置的照明区域呈现部分重叠，从而确保相位恢复的足够冗余。出射波通过自由空间传播到检测器平面，其中记录远场部分相干衍射图案。这里可以使用宽带卷积模型来表示，该模型是相干衍射图案与包含相干信息的模糊核的卷积。其中q是倒易空间中的位置向量，表示卷积算子。通过结合模糊核，该模糊核通过在相位恢复过程内的盲去卷积可以增强现有全相干迭代算法对宽带源的鲁棒性。

为了更好地拟合测量的多色衍射图案，该文将宽带卷积模型引入重建过程。如图1所示，不同扫描位置处的每个衍射图案都被分配了自己的模糊核，而不是共享一个公共核。在整个迭代过程中，其通过从测量的宽带图案和计算的相干图案的盲解卷积获得。该文采用了联合反卷积算法，其灵感来自于扩展叠层扫描迭代引擎(ePIE)中使用的迭代探针更新策略。从先前扫描位置获得的模糊核被用作下一扫描位置处的反卷积迭代的初始值，从而进一步提高了检索核的准确性。该策略基于系统的整体稳定相干性，利用来自先前扫描位置的内核作为初始输入，有效利用重叠图中的数据冗余来增强反卷积算法的收敛性。每个算法的后续迭代更新内核进一步补偿由系统不稳定性或样本移动引起微小的退相干效应。

生物样本是最常见的复振幅样本之一，其高质量成像的能力对于超宽带叠层扫描成像的实用性至关重要。该文构建了一个原理验证叠层扫描成像系统，如图2a所示。一种具有420 nm的半高宽(FWHM)的超连续谱光源作为超宽带照明光源，相应的光谱分布如图2a所示。然而，该光谱仅用于演示目的。经过准直和空间滤波后，宽带照明通过针孔在蚂蚁样本上形成光探针。蚂蚁的光学显微镜图像也在图2a中示出。该文的系统配置下的景深估计为~230 µm，从而允许该文使用的所有样本在投影近似下被合理地视为二维对象。在针孔平面上放置一个相位型USAF分辨靶，产生结构照明，然后用探测器采集样品出射波的远场衍射图样。

在数值模拟之后，在实际情况下使用同步辐射源验证了离轴X射线涡旋束叠层扫描成像。涡旋光束的成功产生是通过在实验中使用具有由600 nm厚的W制成的轮辐图案的测试靶从叠层扫描重建获得入射探测光束的复场来确认的。如图3B所示，离轴SZP精确地产生了聚焦涡旋光束，其内径和外径分别为340 nm和1130 nm，最大强度为一半，比标称值大约9%。利用轮廓清晰的硬X射线涡旋光束对样品进行叠层扫描成像。通过中心校正补偿kαy的线性相位斜坡，实现了样品投影图像的适当重建。如前所述，衍射中心位于标称零位的中心图案未能正确产生探针和物体形状，如图3D所示，突出中心矫正的重要作用。

该文已经展示了一种实用的解决方案，以应对色散样品中宽带成像的挑战，原则上，该方法适用于任何波长范围内的宽带光源和具有不同光谱响应的样品。超宽带叠层扫描分析克服了传统宽带方法的一些挑战。该文的方法结合了卷积模型，以解决宽带远-色散样品的场衍射图案不能通过波长缩放精确地拟合。此外，该文证明了该方法无需任何先验光谱知识或样品光谱响应即可实现高质量成像，有效地克服了当样品表现出区域性变化的光谱响应时传统宽带方法的重大挑战。此外，该文在系统中引入了相位掩模以实现结构化照明，在最小化能量损失的同时显著提高了重建质量。作为算法创新，该文将迭代盲反卷积算法与超宽带ePIE中的多核策略相结合，利用数据冗余来求解每个扫描位置的互相干函数，给出了带宽为60%的超宽带光源下的生物样品成像，通过使用在可见光范围内用不同染色剂染色的生物样品来模拟吸收边效应，这些结果进一步证明了极紫外生物成像实验进一步证明了该文的方法在扩展到短波长源。

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