近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系副教授張福才課題組在相干衍射成像(CDI)研究方面取得進(jìn)展，提出了一種基于幀間連續(xù)性的動態(tài)樣品序列CDI方法(serial CDI)。相關(guān)成果以“Serial coherent diffraction imaging of dynamic samples based on inter-frame continuity”為題，發(fā)表于光學(xué)頂級期刊Light:Science&Applications。

相干衍射成像(CDI)技術(shù)以其無需透鏡的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和納米級分辨率，近年來廣泛應(yīng)用于同步輻射、自由電子激光等先進(jìn)光源裝置。CDI通過相位恢復(fù)算法直接從樣品衍射強(qiáng)度圖數(shù)據(jù)重構(gòu)獲得樣品復(fù)透過率分布信息，避免了高質(zhì)量成像元件制造面臨的材料和諸多工藝上的挑戰(zhàn)。對應(yīng)靜態(tài)樣品，疊層掃描相干衍射成像技術(shù)(Ptychography)已趨于成熟。對于具有更大科學(xué)意義的動態(tài)樣品和超快動態(tài)過程，目前尚缺少成熟相干衍射成像方法。并且，傳統(tǒng)CDI方法在處理動態(tài)樣品時存在重建質(zhì)量不穩(wěn)定、收斂性差等問題。此次研究首次提出利用幀間結(jié)構(gòu)連續(xù)性作為重建約束，開發(fā)出適用于多種樣品的新型算法框架serialCDI，有效提升了動態(tài)樣品的成像能力。

該方法的核心理念在于通過自適應(yīng)相似性矩陣對幀間局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量評估，用獲得的相似性矩陣對不同的幀的重構(gòu)圖像進(jìn)行加權(quán)生成改進(jìn)的樣品函數(shù)估計。相較于現(xiàn)有的相干調(diào)制成像、低秩相位恢復(fù)等方法，serialCDI在無需引入復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，大幅提升了對噪聲與數(shù)據(jù)缺失的穩(wěn)定性、收斂速度與重建精度，呈現(xiàn)出良好的通用性和可擴(kuò)展性。

圖1.使用SerialCDI對厚晶體生長過程進(jìn)行動態(tài)成像

圖2.SerialCDI重建結(jié)果與疊層掃描相干衍射成像對比

研究團(tuán)隊(duì)通過模擬晶體生長過程(圖1)以及實(shí)際采集的眼蟲游動數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了serialCDI在不同動態(tài)場景下展現(xiàn)出的卓越成像效果和相位還原能力。在一項(xiàng)模擬X射線自由電子激光(XFEL)實(shí)驗(yàn)場景中，serialCDI同樣展現(xiàn)出了優(yōu)異的重建效果，彰顯了其在飛秒動態(tài)成像領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景(圖2)。此項(xiàng)研究成果為未來動態(tài)過程的無損高分辨率成像提供了新思路，并為推動CDI在材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

南方科技大學(xué)電子與電氣工程系碩士研究生盛鵬舉為論文第一作者，張福才為通訊作者。南方科技大學(xué)為論文第一單位。該成果獲得國家自然科學(xué)基金、深圳市科技計劃項(xiàng)目資助以及深圳市恩斯貝科技有限公司游劍鋒顧問的獎學(xué)金資助。研究過程中得到了南方科技大學(xué)多學(xué)科交叉平臺的有力支持。

審核編輯 黃宇