超分辨近场叠层成像技术的研究进展

作者及发表信息
本研究的通讯作者为南方科技大学的Fucai Zhang（张福才），合作者包括Wenhui Xu（徐文辉）、Huixiang Lin（林慧祥）和Hangyu Wang（王瀚宇）。研究团队来自南方科技大学电子与电气工程系及哈尔滨工业大学。该成果于2020年2月17日发表在光学领域知名期刊*Optics Express*（第28卷第4期，页码5164-5178），标题为《Super-resolution near-field ptychography》。

学术背景与研究目标
高分辨率定量相位成像（Quantitative Phase Imaging, QPI）在晶体学、生物医学和物理科学中具有重要应用。传统相干衍射成像（Coherent Diffractive Imaging, CDI）技术中，叠层成像（ptychography）因其高空间分辨率和大视场（Field of View, FOV）成为研究热点。然而，近场叠层成像（near-field ptychography）的分辨率受限于探测器像素尺寸。本研究提出了一种像素超分辨（pixel-super-resolved, PSR）算法，通过结合几何放大（divergent illumination）和计算上采样（up-sampling），突破探测器像素的物理限制，实现最高达5.9倍的分辨率提升。

研究目标包括：
1. 验证PSR算法在平面波（planar illumination）和发散波（divergent illumination）两种照明模式下的有效性；
2. 评估不同探测器（6.5 µm和2.4 µm像素尺寸）对分辨率的影响；
3. 展示该方法在定量相位成像（如相位分辨率靶标）中的精确性。

研究方法与流程
研究分为实验设计、数据采集、算法开发和结果验证四个部分：

1. 实验配置

   • 平面波照明：使用520 nm激光通过针孔（覆盖TEM网格）产生结构化照明，样本（USAF 1951分辨率靶标）置于针孔下游5 mm处，探测器距离样本14 mm（科学相机）或1.85 mm（工业相机）。
     
   • 发散波照明：通过透镜产生几何放大（magnification factor m=16.85或4.12），有效像素尺寸缩小至0.386 µm或0.58 µm。
     

2. 数据采集

   • 采用费马螺旋轨迹（Fermat spiral trajectory）扫描样本，确保高重叠率（87%-95%）。
     
   • 记录100、60、30和10个衍射图案，测试不同数据量对分辨率的影响。
     

3. 算法开发

   • 像素超分辨EPIE算法：通过上采样（最高6倍）和自适应强度更新（adaptive-factor intensity updating）提升分辨率。核心步骤包括：
     
     • 初始探针（probe）和物体（object）估计；
       
     • 随机顺序处理衍射图案；
       
     • 通过角谱传播（angular-spectrum propagation）模拟衍射波；
       
     • 利用自适应松弛因子（α）更新振幅和相位。
       
   • 位置校正：通过子像素精度交叉相关法（subpixel-precision cross-correlation）修正扫描位置误差。
     

4. 验证实验

   • 分辨率靶标：评估不同配置下可分辨的最小线宽（如1.95 µm和0.78 µm）。
     
   • 定量相位靶标：验证相位成像精度（55.5 nm厚度误差%）。
     

主要结果
1. 分辨率提升
- 平面波照明下，6倍上采样使科学相机（6.5 µm像素）分辨率从6.96 µm提升至1.95 µm（3.33倍）；工业相机（2.4 µm像素）分辨率达0.87 µm（2.76倍）。
- 发散波照明下，几何放大结合4倍上采样使科学相机分辨率达1.1 µm（5.9倍），工业相机达0.78 µm（3.1倍）。

1. 数据量影响

   • 平面波配置对数据量不敏感（10个衍射图案仍可分辨1.95 µm）；发散波配置需至少60个图案以保持高分辨率。
     

2. 定量相位成像

   • 相位靶标重建误差%，证明该方法在生物样本（如细胞流式检测）中的潜在应用价值。
     

结论与意义
1. 科学价值
- 首次将像素超分辨算法与近场叠层成像结合，突破探测器像素限制，为X射线断层扫描（tomography）和芯片流式细胞术（on-chip flow cytometry）提供新工具。
- 通过几何放大和计算上采样的协同作用，平衡了分辨率与视场的矛盾。

1. 应用价值
   
   • 无需高动态范围探测器或严格光学稳定性，适合实验室和工业场景。
     
   • 未来可通过结构化照明或偏振复用进一步提升分辨率。
     

研究亮点
1. 方法创新：提出自适应PSR-EPIE算法，支持6倍上采样且收敛速度快（30次迭代内）。
2. 多配置验证：覆盖平面波/发散波、科学/工业相机，全面评估性能边界。
3. 相位成像精度：首次在近场叠层成像中实现纳米级相位误差控制。

其他发现
- 发散波照明的分辨率对数据量更敏感，需优化扫描轨迹以提升效率。
- 工业相机虽像素小，但低动态范围需通过噪声滤波补偿。

（全文完）