搜索

文章查询

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

相干X射线衍射成像三维重建的数字模拟研究

周光照 王玉丹 任玉琦 陈灿 叶琳琳 肖体乔

相干X射线衍射成像三维重建的数字模拟研究

周光照, 王玉丹, 任玉琦, 陈灿, 叶琳琳, 肖体乔
PDF
导出引用
导出核心图
  • 利用相干X射线衍射成像过采样采集样品的远场相干衍射图样, 结合相位重建迭代算法重建物空间样品信息. 三维重建过程中, 边界约束条件是相位重建算法中最为关键的部分. 本文采用数字模拟的方法, 利用灰度值图像作为物空间的样品, 研究并实现了边界条件的自动寻找, 重建结果显示比以往采用较松的边界约束更为精确. 利用噪声模拟方法, 研究了衍射图样中不同噪声类型的滤除对重建结果的影响. 研究发现传统的去噪方法在高噪声情况下不能直接应用于相干X射线衍射成像, 并找到了适用于相干X射线衍射成像噪声滤除的有效方法. 研究表明, 此方法能非常有效地降低噪声对重建结果的影响. 利用模拟三维纳米金颗粒作为样品, 完成了对纳米金颗粒中电子密度分布的三维重建, 在有随机噪声的影响下, 也得到了很好的重建结果, 并找到了成功实现三维重建的噪声限为信噪比不低于27.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号:2010CB834301)、中国科学院对外合作重点项目(批准号: GJHZ09058)、国家自然科学基金(批准号: 10805071, 10705020)和上海市基础研究重点项目(批准号: 08JC1411900) 资助的课题.
    [1]

    Xie H L, Hu W, Luo H X, Du G H, Deng B, Chen R C, Xue Y L, Shi S M, Xiao T Q 2008 Acta Phys. Sin. 57 7044 (in Chinese) [谢红兰, 胡雯, 罗红心, 杜国浩, 邓彪, 陈荣昌, 薛艳玲, 师绍猛, 肖体乔 2008 物理学报 57 7044]

    [2]

    Liu L X, Du G H, Hu W, Xie H L, Xiao T Q 2007 Acta Phys. Sin. 56 4556 (in Chinese) [刘丽想, 杜国浩, 胡雯, 谢红兰, 肖体乔 2007 物理学报 56 4556]

    [3]

    Shi S M, Chen R C, Xue Y L, Ren Y Q, Du G H, Deng B, Xie H L, Xiao T Q 2008 Acta Phys. Sin. 57 6319 (in Chinese) [师绍猛, 陈荣昌, 薛艳玲, 任玉琦, 杜国浩, 邓彪, 谢红兰, 肖体乔 2008 物理学报 57 6319]

    [4]

    Xue Y L, Xiao T Q, Wu L H, Chen C, Guo R Y, Du G H, Xie H L, Deng B, Ren Y Q, Xu H J 2010 Acta Phys. Sin. 59 5496 (in Chinese) [薛艳玲, 肖体乔, 吴立宏, 陈灿, 郭荣怡, 杜国浩, 谢红兰, 邓彪, 任玉琦, 徐洪杰 2010 物理学报 59 5496]

    [5]

    Marchesini S, Chapman H N, Hau-Riege S P, London R A, Szoke A 2003 Opt. Express 11 2344

    [6]

    Schroer C G, Boye P, Feldkamp M J, Patommel J, Schropp A, Schwab A, Stephan S, Burghammer, Schöder S, Riekel C 2008 Phys. Rev. Lett. 101 090801

    [7]

    Sayre D 1952 Acta Cryst. 5 843

    [8]

    Sayre D, Schlenker M 1980 Lecture Notes in Physics (Vol. 112) (Berlin: Springer) p229

    [9]

    Fienup J R 1982 Appl. Opt. 21 2758

    [10]

    Miao JW, Charalambous P, Kirz J, Sayre D 1999 Nature 400 342

    [11]

    Miao J W, Chen C C, Song C Y, Nishino Y, Kohmura Y, Ishikawa T, Damien R J, Lee T K, Risbud S H 2006 Phys. Rev. Lett. 97 215503

    [12]

    Chapman H N, Barty A, Marchesini S, Noy A, Cui C, Howells M R, Rosen R, He H, Spence J C H, Weierstall U, Beetz T, Jacobsen C, Shapiro D 2006 J. Opt. Soc. Am. 23 1179

    [13]

    Abbey B, Williams G J, Pfeifer M A, Clark J N, Putkunz C T, Torrance A, McNulty I, Levin T M, Peele A G, Nugent K A 2008 Appl. Phys. Lett. 93 214101

    [14]

    Thibault P, Elser V, Jacobsen C, Shapiro D, Sayre D 2006 Acta Cryst. 62 248

    [15]

    Hau-Riege S P, Chapman H N, Krzywinski J, Sobierajski R, Bajt S, London R A, Bergh M, Caleman C, Nietubyc R, Juha L, Kuba J, Spiller E, Baker S, Bionta R, Tinten K S, Stojanovic N, Kjornrattanawanich B, Gullikson E, Plönjes E, Toleikis S, Tschentscher T 2007 Phys. Rev. Lett. 98 145502

    [16]

    Chapman H N, Nugent K A 2010 Nature Photon 4 833

    [17]

    Gerchberg R W, Saxton W O 1972 Optik 35 237

    [18]

    Abrahams J P, Leslie A W G 1996 Acta Crystallogr. D52 30

    [19]

    Elser V 2003 J. Opt. Soc. Am. A 20 40

    [20]

    Luke D R 2005 Inverse Probl. 21 37

    [21]

    Chen C C, Miao J W, Wang C W, Lee T K 2007 Phys. Rev. B 76 064113

    [22]

    Marchesini S, He H, Chapman H N, Hau-Riege S P, Noy A, Howells M R, Weierstall U, Spence J C H 2003 Phys. Rev. B 68 140101

    [23]

    Zhou G Z, Tong Y J, Chen C, Ren Y Q, Wang Y D, Xiao T Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 028701 (in Chinese) [周光照, 佟亚军, 陈灿, 任玉琦, 王玉丹, 肖体乔 2011 物理学报 60 028701]

    [24]

    Jiang H D, Song C Y, Chen C C, Xu R, Raines K S, Benjamin P F, Lu C H, Lee T K, Nakashima A, Urano J, Ishikawa T, Tamanoi F, Miao J W 2010 PNAS 107 11234

    [25]

    Barty A, Marchesini S, Chapman H N, Cui C, Howells M R, Shapiro D A, Minor A M, Spence J C H, Weierstall U, Ilavsky J, Noy A, Hau-Riege S P, Artyukhin A B, Baumann T, Willey T, Stolken J 2008 Phys. Rev. Lett. 101 055501

    [26]

    Raines K S, Sara S, Richard L S, Jiang H D, Jose A R, Benjamin P F, Henry C K, Du J C, Miao J W 2009 Nature 463 214

  • [1]

    Xie H L, Hu W, Luo H X, Du G H, Deng B, Chen R C, Xue Y L, Shi S M, Xiao T Q 2008 Acta Phys. Sin. 57 7044 (in Chinese) [谢红兰, 胡雯, 罗红心, 杜国浩, 邓彪, 陈荣昌, 薛艳玲, 师绍猛, 肖体乔 2008 物理学报 57 7044]

    [2]

    Liu L X, Du G H, Hu W, Xie H L, Xiao T Q 2007 Acta Phys. Sin. 56 4556 (in Chinese) [刘丽想, 杜国浩, 胡雯, 谢红兰, 肖体乔 2007 物理学报 56 4556]

    [3]

    Shi S M, Chen R C, Xue Y L, Ren Y Q, Du G H, Deng B, Xie H L, Xiao T Q 2008 Acta Phys. Sin. 57 6319 (in Chinese) [师绍猛, 陈荣昌, 薛艳玲, 任玉琦, 杜国浩, 邓彪, 谢红兰, 肖体乔 2008 物理学报 57 6319]

    [4]

    Xue Y L, Xiao T Q, Wu L H, Chen C, Guo R Y, Du G H, Xie H L, Deng B, Ren Y Q, Xu H J 2010 Acta Phys. Sin. 59 5496 (in Chinese) [薛艳玲, 肖体乔, 吴立宏, 陈灿, 郭荣怡, 杜国浩, 谢红兰, 邓彪, 任玉琦, 徐洪杰 2010 物理学报 59 5496]

    [5]

    Marchesini S, Chapman H N, Hau-Riege S P, London R A, Szoke A 2003 Opt. Express 11 2344

    [6]

    Schroer C G, Boye P, Feldkamp M J, Patommel J, Schropp A, Schwab A, Stephan S, Burghammer, Schöder S, Riekel C 2008 Phys. Rev. Lett. 101 090801

    [7]

    Sayre D 1952 Acta Cryst. 5 843

    [8]

    Sayre D, Schlenker M 1980 Lecture Notes in Physics (Vol. 112) (Berlin: Springer) p229

    [9]

    Fienup J R 1982 Appl. Opt. 21 2758

    [10]

    Miao JW, Charalambous P, Kirz J, Sayre D 1999 Nature 400 342

    [11]

    Miao J W, Chen C C, Song C Y, Nishino Y, Kohmura Y, Ishikawa T, Damien R J, Lee T K, Risbud S H 2006 Phys. Rev. Lett. 97 215503

    [12]

    Chapman H N, Barty A, Marchesini S, Noy A, Cui C, Howells M R, Rosen R, He H, Spence J C H, Weierstall U, Beetz T, Jacobsen C, Shapiro D 2006 J. Opt. Soc. Am. 23 1179

    [13]

    Abbey B, Williams G J, Pfeifer M A, Clark J N, Putkunz C T, Torrance A, McNulty I, Levin T M, Peele A G, Nugent K A 2008 Appl. Phys. Lett. 93 214101

    [14]

    Thibault P, Elser V, Jacobsen C, Shapiro D, Sayre D 2006 Acta Cryst. 62 248

    [15]

    Hau-Riege S P, Chapman H N, Krzywinski J, Sobierajski R, Bajt S, London R A, Bergh M, Caleman C, Nietubyc R, Juha L, Kuba J, Spiller E, Baker S, Bionta R, Tinten K S, Stojanovic N, Kjornrattanawanich B, Gullikson E, Plönjes E, Toleikis S, Tschentscher T 2007 Phys. Rev. Lett. 98 145502

    [16]

    Chapman H N, Nugent K A 2010 Nature Photon 4 833

    [17]

    Gerchberg R W, Saxton W O 1972 Optik 35 237

    [18]

    Abrahams J P, Leslie A W G 1996 Acta Crystallogr. D52 30

    [19]

    Elser V 2003 J. Opt. Soc. Am. A 20 40

    [20]

    Luke D R 2005 Inverse Probl. 21 37

    [21]

    Chen C C, Miao J W, Wang C W, Lee T K 2007 Phys. Rev. B 76 064113

    [22]

    Marchesini S, He H, Chapman H N, Hau-Riege S P, Noy A, Howells M R, Weierstall U, Spence J C H 2003 Phys. Rev. B 68 140101

    [23]

    Zhou G Z, Tong Y J, Chen C, Ren Y Q, Wang Y D, Xiao T Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 028701 (in Chinese) [周光照, 佟亚军, 陈灿, 任玉琦, 王玉丹, 肖体乔 2011 物理学报 60 028701]

    [24]

    Jiang H D, Song C Y, Chen C C, Xu R, Raines K S, Benjamin P F, Lu C H, Lee T K, Nakashima A, Urano J, Ishikawa T, Tamanoi F, Miao J W 2010 PNAS 107 11234

    [25]

    Barty A, Marchesini S, Chapman H N, Cui C, Howells M R, Shapiro D A, Minor A M, Spence J C H, Weierstall U, Ilavsky J, Noy A, Hau-Riege S P, Artyukhin A B, Baumann T, Willey T, Stolken J 2008 Phys. Rev. Lett. 101 055501

    [26]

    Raines K S, Sara S, Richard L S, Jiang H D, Jose A R, Benjamin P F, Henry C K, Du J C, Miao J W 2009 Nature 463 214

  • [1] 肖体乔, 周光照, 佟亚军, 陈灿, 任玉琦, 王玉丹. 相干X射线衍射成像的数字模拟研究. 物理学报, 2011, 60(2): 028701. doi: 10.7498/aps.60.028701
    [2] 张益溢, 吴佳琛, 郝然, 金尚忠, 曹良才. 基于数字全息的血红细胞显微成像技术. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20200357
    [3] 王淑莹, 章海军, 张冬仙. 基于微球透镜的任选区高分辨光学显微成像新方法研究. 物理学报, 2013, 62(3): 034207. doi: 10.7498/aps.62.034207
    [4] 刘诚, 潘兴臣, 朱健强. 基于光栅分光法的相干衍射成像. 物理学报, 2013, 62(18): 184204. doi: 10.7498/aps.62.184204
    [5] 刘双龙, 刘伟, 陈丹妮, 屈军乐, 牛憨笨. 相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术研究. 物理学报, 2016, 65(6): 064204. doi: 10.7498/aps.65.064204
    [6] 王建国, 杨松林, 叶永红. 样品表面银膜的粗糙度对钛酸钡微球成像性能的影响. 物理学报, 2018, 67(21): 214209. doi: 10.7498/aps.67.20180823
    [7] 周光照, 胡哲, 杨树敏, 廖可梁, 周平, 刘科, 滑文强, 王玉柱, 边风刚, 王劼. 上海光源硬X射线相干衍射成像实验方法初探. 物理学报, 2020, 69(3): 034102. doi: 10.7498/aps.69.20191586
    [8] 刘海岗, 许子健, 张祥志, 郭智, 邰仁忠. 中心挡板对扫描相干X射线衍射成像的影响. 物理学报, 2013, 62(15): 150702. doi: 10.7498/aps.62.150702
    [9] 范家东, 江怀东. 相干X射线衍射成像技术及在材料学和生物学中的应用. 物理学报, 2012, 61(21): 218702. doi: 10.7498/aps.61.218702
    [10] 陈鹤, 于斌, 陈丹妮, 李恒, 牛憨笨. 超衍射成像中双螺旋点扩展函数的三维定位精度. 物理学报, 2013, 62(14): 144201. doi: 10.7498/aps.62.144201
    [11] 潘安, 张晓菲, 王彬, 赵青, 史祎诗. 厚样品三维叠层衍射成像的实验研究. 物理学报, 2016, 65(1): 014204. doi: 10.7498/aps.65.014204
    [12] 戚俊成, 陈荣昌, 刘宾, 陈平, 杜国浩, 肖体乔. 基于迭代重建算法的X射线光栅相位CT成像. 物理学报, 2017, 66(5): 054202. doi: 10.7498/aps.66.054202
    [13] 千佳, 党诗沛, 周兴, 但旦, 汪召军, 赵天宇, 梁言生, 姚保利, 雷铭. 基于希尔伯特变换的结构光照明快速三维彩色显微成像方法. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20200352
    [14] 王治昊, 王雅丽, 李拓, 史祎诗. 基于旋转相位编码与照明光束匹配的叠层衍射成像算法研究. 物理学报, 2014, 63(16): 164204. doi: 10.7498/aps.63.164204
    [15] 江浩, 张新廷, 国承山. 基于菲涅耳衍射的无透镜相干衍射成像. 物理学报, 2012, 61(24): 244203. doi: 10.7498/aps.61.244203
    [16] 张宇, 唐志列, 吴泳波, 束刚. 基于声透镜的三维光声成像技术. 物理学报, 2015, 64(24): 240701. doi: 10.7498/aps.64.240701
    [17] 郑娟娟, 姚保利, 邵晓鹏. 基于光强传输方程相位成像的宽场相干反斯托克斯拉曼散射显微背景抑制. 物理学报, 2017, 66(11): 114206. doi: 10.7498/aps.66.114206
    [18] 潘安, 王东, 史祎诗, 姚保利, 马臻, 韩洋. 多波长同时照明的菲涅耳域非相干叠层衍射成像. 物理学报, 2016, 65(12): 124201. doi: 10.7498/aps.65.124201
    [19] 向际鹰, 吴 震, 张 平, 黄德修, 曾绍群, 骆清铭. 弱相干扫描层析成像系统的三维传递函数分析. 物理学报, 1999, 48(10): 1831-1838. doi: 10.7498/aps.48.1831
    [20] 田劲东, 牛憨笨, 于 斌, 彭 翔. 硬x射线同轴相衬成像的相位恢复. 物理学报, 2005, 54(5): 2034-2037. doi: 10.7498/aps.54.2034
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  1676
  • PDF下载量:  566
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2011-01-10
  • 修回日期:  2011-03-18
  • 刊出日期:  2012-01-05

相干X射线衍射成像三维重建的数字模拟研究

  • 1. 中国科学院上海应用物理研究所, 上海 201204;
  • 2. 中国科学院研究生院, 北京 100049
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(批准号:2010CB834301)、中国科学院对外合作重点项目(批准号: GJHZ09058)、国家自然科学基金(批准号: 10805071, 10705020)和上海市基础研究重点项目(批准号: 08JC1411900) 资助的课题.

摘要: 利用相干X射线衍射成像过采样采集样品的远场相干衍射图样, 结合相位重建迭代算法重建物空间样品信息. 三维重建过程中, 边界约束条件是相位重建算法中最为关键的部分. 本文采用数字模拟的方法, 利用灰度值图像作为物空间的样品, 研究并实现了边界条件的自动寻找, 重建结果显示比以往采用较松的边界约束更为精确. 利用噪声模拟方法, 研究了衍射图样中不同噪声类型的滤除对重建结果的影响. 研究发现传统的去噪方法在高噪声情况下不能直接应用于相干X射线衍射成像, 并找到了适用于相干X射线衍射成像噪声滤除的有效方法. 研究表明, 此方法能非常有效地降低噪声对重建结果的影响. 利用模拟三维纳米金颗粒作为样品, 完成了对纳米金颗粒中电子密度分布的三维重建, 在有随机噪声的影响下, 也得到了很好的重建结果, 并找到了成功实现三维重建的噪声限为信噪比不低于27.

English Abstract

参考文献 (26)

目录

    /

    返回文章
    返回