CDI相干衍射成像综述报告 PPT
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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。
过采样理论
相位恢复
迭代算法
G-S迭代算法 HIO算法 GHIO算法 ER算法
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
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。
GerchbergSaxton算法
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：
Ptychography/scanning CDI
江琦 6-28
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。
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。
成像误差函数
经过800次迭代后 误差变为0.007
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。
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。
Baidu Nhomakorabea
No Image
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。
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。
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。
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
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
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。
飞扫（Fly-scan ptychography）
扫描轨迹：
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。
BraggCDI成像：主要用 于研究纳米晶体。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
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
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
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。
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。
飞扫（Fly-scan ptychography）
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： 若是部分相干光源，则把光源看做互相不相干的相干光源的叠加，则有： 若是飞扫模式中，衍射强度来自于一个连续移动的样品，则有：
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。
（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。
（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。
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。
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。
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（Ptychographical Iterative Engine）。
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。
结果尺寸为样品各维度的2倍。
过采样理论
相位恢复
迭代算法
G-S迭代算法 HIO算法 GHIO算法 ER算法
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
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。
GerchbergSaxton算法
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：
Ptychography/scanning CDI
江琦 6-28
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。
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。
成像误差函数
经过800次迭代后 误差变为0.007
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。
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。
Baidu Nhomakorabea
No Image
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。
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。
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。
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
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
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。
飞扫（Fly-scan ptychography）
扫描轨迹：
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。
BraggCDI成像：主要用 于研究纳米晶体。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
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
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
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。
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。
飞扫（Fly-scan ptychography）
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： 若是部分相干光源，则把光源看做互相不相干的相干光源的叠加，则有： 若是飞扫模式中，衍射强度来自于一个连续移动的样品，则有：
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。
（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。
（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。
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。
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。
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（Ptychographical Iterative Engine）。
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。