一種基于激光單取向測(cè)量的新型三維相干衍射成像方法研究.pdf

1、三維成像對(duì)研究生物細(xì)胞和材料的結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系十分重要，而動(dòng)態(tài)三維成像的實(shí)現(xiàn)更有助于了解它們工作的過程。目前，三維成像的方法主要有以下幾種:1.通過旋轉(zhuǎn)樣品測(cè)量多個(gè)角度的投影或衍射圖樣，應(yīng)用插值法獲得樣品三維結(jié)構(gòu)，該方法在電子顯微鏡成像、X射線斷層掃描成像等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用;2.通過激光光束聚焦測(cè)量樣品不同深度的圖像來構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的方法，這種方法廣泛應(yīng)用在共聚焦顯微鏡成像中;3.最近發(fā)展的掃描相干衍射成像中用多重散射的方法獲得三維圖

2、像;4.利用大量相同的樣本在隨機(jī)角度得到的一系列投影，通過分類、組合等，最終重建出三維圖像，該方法主要應(yīng)用在冷凍電鏡和X射線自由電子激光三維成像中。
　　以上三維成像方法，均有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。首先，多角度投影的三維成像方法是通過旋轉(zhuǎn)樣品來獲得不同角度的投影，通常需要幾十或者幾百個(gè)投影。即使利用等斜率投影重建的三維成像，投影角度的數(shù)量得到了很大程度的減少，對(duì)于減少X射線或者電子束對(duì)樣品的輻射損傷有很大幫助，但為得到樣品完整細(xì)致的結(jié)

3、構(gòu)，仍需要一定數(shù)量的投影;在激光共聚焦三維成像中，需通過光路的調(diào)整使得激光在樣品的不同深度聚焦，形成了沿著光路方向的一系列二維圖像，將這些圖像組合在一起，才可以獲得三維圖像。在掃描相干衍射成像中，由于成像位置的重疊，得到了大量的冗余數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在多重散射的近似條件下，通過迭代算法才可以獲得三維圖像。以上幾種三維成像方法無論是需要多個(gè)角度、多個(gè)深度、還是多個(gè)位置，都必須用大量時(shí)間來采集所需數(shù)據(jù)，因此也難以獲得動(dòng)態(tài)的三維圖像。
　　

4、最近發(fā)展起來的一種以相干衍射成像為基礎(chǔ)的新型三維成像方法（單取向的三維相干衍射成像）為解決這一難題，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和材料動(dòng)態(tài)三維成像提供了一種新的可能性。相干X射線衍射成像不使用透鏡，而是通過相位恢復(fù)算法利用衍射圖像重建出樣品圖像。與X射線晶體學(xué)不相同，非晶態(tài)樣品也能成像，因此可以廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)和生物科學(xué)。相干X射線衍射成像技術(shù)具有高分辨率、高襯度的優(yōu)點(diǎn)。由于該成像技術(shù)能夠獲得樣品的密度信息，因此可以實(shí)現(xiàn)樣品結(jié)構(gòu)圖像的定量分析。此外，在相

5、干衍射成像中，當(dāng)樣品與探測(cè)器距離很近時(shí)，平面探測(cè)器上所測(cè)量的樣品相干衍射圖樣不能再視為平面，而應(yīng)當(dāng)投影到Ewald球面上，這樣就獲得一個(gè)傅立葉空間的三維衍射圖樣，如果衍射信息足夠多的話，應(yīng)用迭代算法在三維實(shí)空間和三維傅立葉空間中進(jìn)行反復(fù)的迭代運(yùn)算就有可能獲得樣品的三維圖像。
　　單取向三維相干衍射成像在軟X射線的相干衍射成像中首次得到了驗(yàn)證，隨后在激光相干衍射成像中也得到了證明。但在這兩次實(shí)驗(yàn)中，第一次采用的是空洞作為樣品，第二次

6、采用薄的弱相位物體作為樣品。由于單取向的三維相干衍射成像中樣品衍射數(shù)據(jù)量相比于其他三維成像的方法數(shù)據(jù)量小很多，在重建中會(huì)遇到較大的困難。目前，單取向的三維相干衍射成像還很不成熟，利用該方法能否實(shí)現(xiàn)較厚樣品的三維成像尚未驗(yàn)證。
　　本論文主要針對(duì)單取向三維相干衍射成像中存在的若干問題開展了探索性研究。首先，為了驗(yàn)證單取向三維相干衍射成像方法，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中根據(jù)不同需求搭建了多種激光相干衍射成像系統(tǒng)。利用該成像系統(tǒng)，我們提出并實(shí)現(xiàn)了相

7、位物體及厚樣品的單取向三維相干衍射成像，以及多色光的單取向三維成像。具體研究?jī)?nèi)容包括了以下幾個(gè)方面的工作:
　　主要實(shí)驗(yàn)工作:
　　1.搭建實(shí)驗(yàn)光路，通過對(duì)透鏡焦距的比例進(jìn)行了調(diào)整等措施，優(yōu)化光路，實(shí)現(xiàn)了100μm大小的樣品的衍射成像，這一尺寸可以涵蓋大部分生物細(xì)胞的大小;
　　2.采用小的晶體顆粒檢測(cè)光路，對(duì)光路凈化;實(shí)現(xiàn)了放在載玻片上硅膠小球的二維相干衍射成像;
　　3.在100nm氮化硅薄膜上制各了雙層直徑

8、為20μm的硅膠小球樣品，樣品的厚度為32μm，寬度為80μm，并實(shí)現(xiàn)了該樣品單一激光波長(zhǎng)(543nm)下的單取向三維相干衍射成像;
　　4.在30nm氮化硅薄膜上制備了雙層硅膠小球樣品，樣品的厚度為20μm，寬度為80μm，提出并實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)下的單方向三維相干衍射成像。
　　主要模擬工作:
　　1.針對(duì)單取向三維相干衍射成像特點(diǎn)，完成了平面圖像在Ewald球上投影的程序以及difference map程序的編寫，模擬了

9、相位物體的二維成像;
　　2.針對(duì)生物細(xì)胞樣品，模擬了其在不同條件下的多波長(zhǎng)單取向三維成像，包括不同的衍射角度、衍射圖像中心光斑的數(shù)據(jù)丟失等。
　　三維重建方法探索工作:
　　1.單取向三維圖像重建的可靠性:由于實(shí)驗(yàn)中所用的硅膠小球樣品較大，不是弱相位物體，衍射圖樣非中心對(duì)稱，因此在三維重建過程中只在一半的傅立葉空間中用了Ewald球，對(duì)大樣品和有限的數(shù)據(jù)來說，重建工作更加困難，因此我們提出在傅立葉空間中加入了扭曲校正

10、后的高數(shù)值孔徑的衍射圖樣，從而提高了重建的收斂速度和可靠性;
　　2.多波長(zhǎng)的單取向三維相干衍射成像:實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)的單取向三維圖像的重建，由于在一半的傅里葉空間中應(yīng)用了兩個(gè)Ewald球，因此比單個(gè)波長(zhǎng)單方向相干衍射三維成像能夠獲得更多的縱向三維信息。
　　該論文中存在的創(chuàng)新性工作如下:
　　1.通過在氮化硅薄膜上制備雙層硅膠小球樣品，首次實(shí)現(xiàn)了厚樣品的單取向三維相干衍射成像，證明了該成像方法對(duì)厚樣品的可行性;
　

11、　2.為提高三維圖像重建的質(zhì)量，提出在傅立葉空間中增加橫向約束條件，即將測(cè)量的二維平面衍射圖樣扭曲矯正后作為傅里葉空間的中間層，加強(qiáng)圖像收斂的速度和穩(wěn)定性，提高了重建圖像的質(zhì)量;
　　3.首次實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)（543nm綠光和432nm藍(lán)光）下的單取向三維相干衍射成像，設(shè)計(jì)和模擬了細(xì)胞的紅綠藍(lán)三波長(zhǎng)的單取向三維相干衍射成像，為生物細(xì)胞和材料的三維動(dòng)態(tài)成像提供了參考。
　　綜上所述，本篇博士論文的主要工作在于探索單取向三維相干衍射

12、成像方法的實(shí)驗(yàn)條件，穩(wěn)定的重建算法，實(shí)現(xiàn)厚樣品的單取向三維成像，提高三維重建圖像的質(zhì)量，并希望能夠推進(jìn)該種三維成像方法在生物細(xì)胞和材料動(dòng)態(tài)成像中的應(yīng)用。但是由于目前實(shí)驗(yàn)室條件有限，包括CCD圖像傳感器不能實(shí)現(xiàn)能量分辨，記錄時(shí)間過長(zhǎng)，暫時(shí)還不能實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)成像。本論文只采用紅、綠和藍(lán)三色波長(zhǎng)激光對(duì)生物細(xì)胞的單取向三維相干衍射成像進(jìn)行了數(shù)值模擬，為傅里葉空間衍射信號(hào)的掃描提供參考，希望將來該方法能夠擴(kuò)展到同步輻射X射線，以及X射線自由電子激