一种基于激光单取向测量的新型三维相干衍射成像方法研究

摘要

三维成像对研究生物细胞和材料的结构和功能之间的关系十分重要，而动态三维成像的实现更有助于了解它们工作的过程。目前，三维成像的方法主要有以下几种:1.通过旋转样品测量多个角度的投影或衍射图样，应用插值法获得样品三维结构，该方法在电子显微镜成像、X射线断层扫描成像等领域有广泛的应用;2.通过激光光束聚焦测量样品不同深度的图像来构建三维结构的方法，这种方法广泛应用在共聚焦显微镜成像中;3.最近发展的扫描相干衍射成像中用多重散射的方法获得三维图像;4.利用大量相同的样本在随机角度得到的一系列投影，通过分类、组合等，最终重建出三维图像，该方法主要应用在冷冻电镜和X射线自由电子激光三维成像中。
　　以上三维成像方法，均有各自的优点和缺点。首先，多角度投影的三维成像方法是通过旋转样品来获得不同角度的投影，通常需要几十或者几百个投影。即使利用等斜率投影重建的三维成像，投影角度的数量得到了很大程度的减少，对于减少X射线或者电子束对样品的辐射损伤有很大帮助，但为得到样品完整细致的结构，仍需要一定数量的投影;在激光共聚焦三维成像中，需通过光路的调整使得激光在样品的不同深度聚焦，形成了沿着光路方向的一系列二维图像，将这些图像组合在一起，才可以获得三维图像。在扫描相干衍射成像中，由于成像位置的重叠，得到了大量的冗余数据，这些数据在多重散射的近似条件下，通过迭代算法才可以获得三维图像。以上几种三维成像方法无论是需要多个角度、多个深度、还是多个位置，都必须用大量时间来采集所需数据，因此也难以获得动态的三维图像。
　　最近发展起来的一种以相干衍射成像为基础的新型三维成像方法（单取向的三维相干衍射成像）为解决这一难题，实现细胞和材料动态三维成像提供了一种新的可能性。相干X射线衍射成像不使用透镜，而是通过相位恢复算法利用衍射图像重建出样品图像。与X射线晶体学不相同，非晶态样品也能成像，因此可以广泛应用于材料科学和生物科学。相干X射线衍射成像技术具有高分辨率、高衬度的优点。由于该成像技术能够获得样品的密度信息，因此可以实现样品结构图像的定量分析。此外，在相干衍射成像中，当样品与探测器距离很近时，平面探测器上所测量的样品相干衍射图样不能再视为平面，而应当投影到Ewald球面上，这样就获得一个傅立叶空间的三维衍射图样，如果衍射信息足够多的话，应用迭代算法在三维实空间和三维傅立叶空间中进行反复的迭代运算就有可能获得样品的三维图像。
　　单取向三维相干衍射成像在软X射线的相干衍射成像中首次得到了验证，随后在激光相干衍射成像中也得到了证明。但在这两次实验中，第一次采用的是空洞作为样品，第二次采用薄的弱相位物体作为样品。由于单取向的三维相干衍射成像中样品衍射数据量相比于其他三维成像的方法数据量小很多，在重建中会遇到较大的困难。目前，单取向的三维相干衍射成像还很不成熟，利用该方法能否实现较厚样品的三维成像尚未验证。
　　本论文主要针对单取向三维相干衍射成像中存在的若干问题开展了探索性研究。首先，为了验证单取向三维相干衍射成像方法，我们在实验室中根据不同需求搭建了多种激光相干衍射成像系统。利用该成像系统，我们提出并实现了相位物体及厚样品的单取向三维相干衍射成像，以及多色光的单取向三维成像。具体研究内容包括了以下几个方面的工作:
　　主要实验工作:
　　1.搭建实验光路，通过对透镜焦距的比例进行了调整等措施，优化光路，实现了100μm大小的样品的衍射成像，这一尺寸可以涵盖大部分生物细胞的大小;
　　2.采用小的晶体颗粒检测光路，对光路净化;实现了放在载玻片上硅胶小球的二维相干衍射成像;
　　3.在100nm氮化硅薄膜上制各了双层直径为20μm的硅胶小球样品，样品的厚度为32μm，宽度为80μm，并实现了该样品单一激光波长(543nm)下的单取向三维相干衍射成像;
　　4.在30nm氮化硅薄膜上制备了双层硅胶小球样品，样品的厚度为20μm，宽度为80μm，提出并实现双波长下的单方向三维相干衍射成像。
　　主要模拟工作:
　　1.针对单取向三维相干衍射成像特点，完成了平面图像在Ewald球上投影的程序以及difference map程序的编写，模拟了相位物体的二维成像;
　　2.针对生物细胞样品，模拟了其在不同条件下的多波长单取向三维成像，包括不同的衍射角度、衍射图像中心光斑的数据丢失等。
　　三维重建方法探索工作:
　　1.单取向三维图像重建的可靠性:由于实验中所用的硅胶小球样品较大，不是弱相位物体，衍射图样非中心对称，因此在三维重建过程中只在一半的傅立叶空间中用了Ewald球，对大样品和有限的数据来说，重建工作更加困难，因此我们提出在傅立叶空间中加入了扭曲校正后的高数值孔径的衍射图样，从而提高了重建的收敛速度和可靠性;
　　2.多波长的单取向三维相干衍射成像:实现了双波长的单取向三维图像的重建，由于在一半的傅里叶空间中应用了两个Ewald球，因此比单个波长单方向相干衍射三维成像能够获得更多的纵向三维信息。
　　该论文中存在的创新性工作如下:
　　1.通过在氮化硅薄膜上制备双层硅胶小球样品，首次实现了厚样品的单取向三维相干衍射成像，证明了该成像方法对厚样品的可行性;
　　2.为提高三维图像重建的质量，提出在傅立叶空间中增加横向约束条件，即将测量的二维平面衍射图样扭曲矫正后作为傅里叶空间的中间层，加强图像收敛的速度和稳定性，提高了重建图像的质量;
　　3.首次实现了双波长（543nm绿光和432nm蓝光）下的单取向三维相干衍射成像，设计和模拟了细胞的红绿蓝三波长的单取向三维相干衍射成像，为生物细胞和材料的三维动态成像提供了参考。
　　综上所述，本篇博士论文的主要工作在于探索单取向三维相干衍射成像方法的实验条件，稳定的重建算法，实现厚样品的单取向三维成像，提高三维重建图像的质量，并希望能够推进该种三维成像方法在生物细胞和材料动态成像中的应用。但是由于目前实验室条件有限，包括CCD图像传感器不能实现能量分辨，记录时间过长，暂时还不能实现三维动态成像。本论文只采用红、绿和蓝三色波长激光对生物细胞的单取向三维相干衍射成像进行了数值模拟，为傅里叶空间衍射信号的扫描提供参考，希望将来该方法能够扩展到同步辐射X射线，以及X射线自由电子激光的成像中，进一步提高图像空间分辨率和时间分辨率。

目录

声明

摘要

§1．1 引言

§1．2 相干X射线衍射成像

§1．2．1 相干X射线衍射成像的基本原理

§1．2．2 相干X射线衍射成像的特点

§1．2．3 平面波相干X射线衍射二维成像

§1．2．4 平面波相干X射线衍射三维成像

§1．2．5 其他形式的相干X射线衍射成像

§1．2．6 相干X射线辐射损伤

§1．3 三维物体的衍射原理

§1．3．1 一级波恩近似和Ewald球

§1．3．2 多角度和多能量的Ewald球

§1．4 单取向的三维相干衍射成像原理

§1．5 单取向三维相干衍射成像面临的挑战和研究进展

§1．6 本论文研究工作

参考文献

§2．1 引言

§2．2 二维可见激光相干衍射成像的光路

§2．2．1 二维可见激光相干衍射成像光路搭建

§2．2．2 二维可见激光相干衍射成像光路优化

§2．3 二维可见激光相干衍射成像实验

§2．4 二维可见激光相干衍射成像数据处理

§2．5 相位物体的二维重建

§2．5．1 相位物体

§2．5．2 difference map算法

§2．5．3 HIO算法

§2．6 高数值孔径衍射图像重建

§2．6．1 衍射图像的压缩和反卷积

§2．6．2 高数值孔径衍射图像的扭曲矫正

§2．6．3 二维重建结果

§2．7 本章小结

参考文献

第三章 单取向的三维相干衍射成像

§3．1 引言

§3．2 扭曲矫正图像提高重建速度和稳定性的数值模拟

§3．2．1 红细胞模型重建的数值模拟

§3．2．2 双层字母模型重建的数值模拟

§3．3 单波长单取向的三维相干衍射成像实验

§3．3．1 实验光路和样品

§3．3．2 实验数据采集

§3．4 单波长单取向的三维相干衍射成像数据处理

§3．4．1 图像的压缩和反卷积

§3．4．2 图像强度的归一化和Ewald球面投影

§3．5 三维图像重建

§3．6 结果分析

§3．7 本章小结

参考文献

§4．1 引言

§4．2 扭曲矫正图像和多波长衍射图像提高重建质量的矩阵分析

§4．3 双波长单取向的三维相干衍射成像实验

§4．3．2 数据采集

§4．4 双波长单取向的三维相干衍射成像数据处理

§4．4．1 双波长衍射图像的压缩

§4．4．2 双波长Ewald球面投影

§4．4．3 双波长Ewald球面的空间位置关系

§4．5 三维图像重建

§4．6 结果分析

§4．7 本章小结

参考文献

第五章 细胞多波长单取向三维相干衍射成像的实验设计和模拟

§5．1 引言

§5．2 细胞的多波长单取向三维相干衍射成像的分辨率

§5．3 细胞的数值模型

§5．4 三个波长Ewald球的空间位置关系

§5．5 三个波长Ewald球重建

§5．5．2 73．4 °三个波长Ewald球重建

§5．5．3 missing data对图像重建的影响

§5．5．4 泊松噪音对重建的影响

§5．6 多波长单取向三维相干衍射成像衍射图像的归一化

§5．7 本章小结

参考文献

§6．1 论文结论

§6．2 论文创新

§6．3 有待进一步开展的工作

攻读学位期间取得的科研成果

致谢

附录