【摘 要】
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叠层成像方法（ptychographical iterative engine,PIE）作为一种新近发展的无透镜成像方法,具有成像范围可扩展、高对比度、无标记、工作距离长、相位不丢失低频等优点,已广泛应用于X-ray成像、电子束成像、光束质量和像差测量、太赫兹成像等方面的研究,PIE已逐渐成为一项极具潜力的相位成像手段。但在处理大量实验数据时,PIE需消耗大量的计算时间。虽然出现了诸多减少计算时间
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叠层成像方法（ptychographical iterative engine,PIE）作为一种新近发展的无透镜成像方法,具有成像范围可扩展、高对比度、无标记、工作距离长、相位不丢失低频等优点,已广泛应用于X-ray成像、电子束成像、光束质量和像差测量、太赫兹成像等方面的研究,PIE已逐渐成为一项极具潜力的相位成像手段。但在处理大量实验数据时,PIE需消耗大量的计算时间。虽然出现了诸多减少计算时间的方法,但进一步减少的空间依然存在,为进一步提高计算效率和缩短计算时间,本文以提高PIE收敛速度为研究核心,具体研究内容如下:一、理论基础和位置误差校正:以标量衍射理论为基础,建立PIE理论模型,探讨PIE基本属性;研究包含扫描位置和轴向距离的位置误差校正方法,建立模拟退火算法校正扫描位置误差的数学模型,以仿真和实验验证了模拟退火算法校正扫描位置误差的可行性;建立了迭代自聚焦算法校正轴向距离误差的数学模型,并以Tamura系数作为图像清晰度评价函数,以其峰值确定偏差距离,仿真和实验结果均表明,迭代自聚焦算法可有效校正轴向距离误差。二、多光强限制提高收敛速度理论和方法:提出了基于全局多光强限制的快速收敛PIE方法,该方法利用分光棱镜对经过样品的衍射光束实现轴向分离,并记录不同轴向位置处的光强,将多幅不同轴向距离处的衍射图样带入重建算法,可增强振幅和相位之间的联系,大幅度提高PIE的收敛速度,减少计算时间;在全局多光强限制的快速收敛PIE方法中,每次迭代都需增加两个CCD之间的往返迭代以及光强限制,导致全局方法的时间效率提升不明显,针对此问题提出了一种非全局多光强限制的快速收敛PIE的方法,该方法分阶段交替使用e PIE（extended ptychographical iterative engine,e PIE）方法和全局多光强限制方法,多光强阶段可约束物函数和照明光场函数向有效方向更新,进而提高收敛速度;e PIE重建阶段使用常规e PIE算法,既能保持前阶段快速收敛的趋势,又能减少CCD多次往返的衍射计算,进而可以减少计算时间。三、优化振幅限制提高收敛速度理论和方法:为不增加系统复杂度,在e PIE算法的振幅替换过程中引入随机梯度下降（stochastic gradient descent,SGD）方法,对振幅进行优化。以实际测量的振幅和计算出振幅的比值作为步长;随机选取一部分实际记录的衍射图样,并计算每个衍射图样的振幅与其相应位置处的计算波前的振幅的梯度差,组合成SGD新形式振幅限制,用于优化振幅,优化后再逆向传输回物面后,可使更新函数的更新方向更加偏于真解,使下次迭代中的物函数更加趋近于合理性,从而可提高e PIE算法的收敛速度。
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