[论文解读] Ultra-broadband extreme-ultraviolet lensless imaging of extended complex structures

Stefan Witte, Vasco T. Tenner+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2013

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 39被引用 63

一句话总结

本文提出一种无透镜成像技术，利用两个时间延迟的相干脉冲，实现对复杂、扩展物体的超宽带极紫外成像，且无需光谱或样品支持约束。通过扫描脉冲延迟并对接收到的光谱分辨菲涅尔衍射图样应用迭代相位恢复算法，该方法在跨越八度音阶的带宽范围内实现了衍射极限分辨率，已在桌面光源下于可见光和极紫外波段得到验证。

ABSTRACT

Lensless imaging is an elegant approach to high-resolution microscopy, which is rapidly gaining popularity in applications where imaging optics are problematic. However, current lensless imaging methods require objects to be placed within a well-defined support structure, while the light source needs to have a narrow, stable, and accurately known spectrum. Here we introduce a general approach to lensless imaging without spectral bandwidth limitations or sample requirements. We use two time-delayed coherent light pulses, and show that scanning the pulse-to-pulse time delay allows the reconstruction of diffraction-limited images for all spectral components in the pulse. Moreover, an iterative phase retrieval algorithm is introduced, which uses these spectrally resolved Fresnel diffraction patterns to obtain high-resolution images of complex extended objects without any support requirements. We demonstrate this two-pulse imaging method with octave-spanning visible light sources (in both transmission and reflection geometries), and with broadband extreme-ultraviolet radiation from a high-harmonic source. This demonstrates that our approach enables effective use of low-flux ultra-broadband sources, such as table-top soft-X-ray systems, for high-resolution imaging.

研究动机与目标

• 克服无透镜成像中的光谱和样品支持限制。
• 实现使用超宽带、低通量光源（如桌面高次谐波产生系统）的高分辨率成像。
• 开发一种无需预设物体支持或窄带光源的方法。
• 在透射和反射几何结构中，对扩展的复杂物体实现成像应用。
• 实现极紫外辐射在高分辨率显微成像中的有效利用。

提出的方法

• 该方法利用两个时间延迟的相干光脉冲，生成光谱分辨的菲涅尔衍射图样。
• 通过扫描脉冲间的时间延迟，可获取覆盖光源整个光谱带宽的衍射数据。
• 采用迭代相位恢复算法，从光谱分辨的衍射图样中重建出高分辨率图像。
• 该方法与物体支持无关，可对复杂、扩展的结构进行成像而无需预先约束。
• 该技术已使用八度带宽的可见光和高次谐波光源产生的宽带极紫外辐射进行了验证。
• 该方法适用于透射和反射几何结构，增强了实验灵活性。

实验结果

研究问题

• RQ1 无透镜成像能否扩展至超宽带光源，而无需依赖窄带或稳定光谱？
• RQ2 能否在无需预设物体支持的情况下，实现对复杂、扩展物体的高分辨率成像？
• RQ3 时间延迟的相干脉冲能否实现光谱分辨衍射图样的采集以支持相位恢复？
• RQ4 该方法是否适用于紧凑型、低通量光源产生的极紫外辐射？
• RQ5 该技术能否同时应用于透射和反射成像几何结构？

主要发现

• 该方法在可见光和极紫外波段均实现了跨越八度带宽的衍射极限分辨率成像。
• 该技术成功重建了复杂、扩展物体的高分辨率图像，且无需物体支持约束。
• 通过时间延迟脉冲获取了光谱分辨的菲涅尔衍射图样，实现了光谱的充分利用。
• 迭代相位恢复算法能有效从宽带、低通量光源（如高次谐波产生系统）中重建图像。
• 该方法在透射和反射几何结构中均得到实验验证，证实了其鲁棒性和通用性。
• 该方法实现了桌面型极紫外光源在高分辨率无透镜成像中的有效利用。