透射X射线显微镜中的扩展焦深方法

随着微细加工技术的突破，近年来基于波带片的X射线纳米分辨透射显微成像装置得到了广泛的发展，包括在材料科学，生物科学等领域用于结构表征。特别是在生物细胞成像领域，这种方法独特的无损三维成像机制被普遍认为是最佳的研究手段。然而对于X射线纳米显微成像装置的发展，细胞成像有两个不同的强烈需求: 一是更高的空间分辨率和图像对比度，二是需要在更大的空间区域进行三维高分辨成像，这两个需求在物理上是相互关联的。目前软X射线三维成像装置的空间分辨率虽然高达十几纳米，但是对应的成像焦深则约为3-5微米。而大量的细胞尺寸是大于这个尺度的，一般的真核细胞在10到100微米。对于这些大尺度细胞的研究工作，目前的软X射线三维成像系统无法提供有效的整体三维成像。针对这个问题，斯坦福同步辐射光源的一个研究组和北京同步辐射合作，研究了X射线透射成像中扩展焦深的方法，所谓的焦深堆栈方法，可在保证空间分辨率的情况下，有效增大成像装置的成像焦深，从而可通过结合马赛克扫描，实现大空间尺度下的三维高分辨成像。该方法在北京同步辐射装置4W1A-X射线成像实验站的硬X射线纳米成像装置上得到了相对应的实验结果。

具体的实施方案是对厚样品做焦深z方向的扫描，采集一系列图像，扫描距离远大于焦深，这样不同厚度处的样品结构在不同的图像上表现出不一致的离焦/在焦现象，如下图所示，通过样品Z方向扫描，我们得到了一系列的图像（图(a)左上）。样品是一个在两侧标记微米大小金颗粒的双层75微米厚的聚酰亚胺薄膜，总厚度大约在220微米左右，大大超过了50微米的焦深。样品从整体欠焦的位置，通过Z扫描，分别经过前/后表面在焦的位置，最终整个样品达到整体过焦的位置。所有的结构信息实际上已经存储在我们所采集的图像栈中。我们提出一种如下图(a)中所示的利用小波变换的焦深堆栈算法，可从图像栈中提取出清晰的结构信息得到(b)图清晰在焦的复合图像，如箭头所示的两颗金颗粒则是位于膜的同一侧。

从以上结果可以看到，焦深堆栈算法有效地解决了厚样品无法完全在焦的问题，可以无限拓宽TXM成像装置的焦深，从而使得对大尺度材料或生物细胞样品的高分辨三维成像成为可能。

但焦深堆栈方法意味着更加大量的数据采集和处理。通过使用高亮度的同步辐射光源，减弱空间相干性的影响，并优化实验，细胞整体的三维纳米分辨成像实验能够在2000到3000次曝光之间完成，对于大部分样品而言是比较可行的。这仍然意味着大量的数据处理，需要大型计算机群或高性能计算机工作站进行运算。

发表文章：

Yijin Liu*, Junyue Wang, Youli Hong, Zhili Wang, Kai Zhang, Phillip A. Williams, Peiping Zhu, Joy C. Andrews, Piero Pianetta, Ziyu Wu,Extended depth of focus for Transmission X-ray Microscope,Opt Lett. 37(17):3708-10, 2012.