Total variation-based reconstruction and phase retrieval for diffraction tomography
在光学衍射层析成像（ODT）中，通过一系列相干光的照射，可以恢复围绕其中心旋转的微观物体的三维散射势。诸如滤波反向传播的重建算法需要测量平面处的复值波的知识，而通常仅需要强度，即，无相位测量在实践中是可用的。我们提出了一种新的重建方法的ODT与未知的相位信息的基础上的三个关键成分。首先，光的传播模型使用玻恩近似，使我们能够使用傅里叶衍射定理。其次，我们通过利用原始-对偶迭代的全变差正则化来稳定非均匀离散傅里叶变换的反演，这也产生了一个新的具有已知相位的ODT的数值反演公式。第三个要素是混合投入产出计划。我们取得了令人信服的数值结果，这表明无相位数据的ODT是可能的。如此获得的2D和3D重建甚至可以与具有已知相位的重建相媲美。
2022-06-01 cs.NA eess.IV math.NA
Physics Constrained Unsupervised Deep Learning for Rapid, High Resolution Scanning Coherent Diffraction Reconstruction
SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）
提出无监督物理信息神经网络PtychoPINN，结合衍射前向映射与实空间约束，实现快速高分辨率相干衍射重建，兼具百倍加速与质量提升。
2023-10-12 cs.LG eess.IV physics.comp-ph
Designing and using prior data in Ankylography: Recovering a 3D object from a single diffraction intensity pattern
Technion, Physics Department—Solid State Institute（以色列理工学院，物理系-固体研究所）；Technion, Electrical Engineering Department（以色列理工学院，电气工程系）
提出一种新方法，利用先验数据从单次衍射强度图案中快速、准确地重建包含更多细节的三维物体。
2012-03-08 astro-ph.IM cs.NA math.NA
Fast unified reconstruction algorithm for conventional, phase-contrast and diffraction tomography
本文提出了一种从多个照明方向上采集的透射图像进行物体三维重建的统一方法。该方法可适用于与使用X射线、电子和其他形式的穿透辐射或物质波的基于吸收的、相衬或衍射成像相关的实验条件。相位恢复（也称为对比度传递函数校正）和埃瓦尔德球曲率的影响（在具有浅景深和显着的物内衍射的情况下）都被纳入所提出的算法中，并且可以被考虑在内。多次散射没有明确处理，但可以减轻作为角平均的结果，构成该方法的一个基本特征。相应的数值算法是基于三维网格，允许快速计算的实施，包括一个简单的并行化。该算法可以用于任何扫描几何涉及平面波照明。已经开发了实现所提出的算法的软件代码，在模拟和实验图像数据上进行了测试，并公开提供。
2022-07-08 physics.med-ph physics.optics
2nd Response to "Feasibility of 3D reconstruction from a single 2D diffraction measurement"
我们对Thibault的评论文章[1]和他的回复[2]提出了我们的第二个回应，其中他评论了我们的ankyloography论文[3]和我们的第一个回应[4]。在这篇文章中，我们进一步解释了为什么我们认为蒂博的理论分析是有缺陷的，他对我们的实验的解释是不正确的。此外，我们提供了一个定量分析和数值实验来说明为什么ankylography原则上可以适用于一般的样本。最后，我们提出了我们的数值实验的详细程序的ankylography重建，它使用传统的HIO算法，只有积极的约束[5]。我们欢迎任何对ankylography感兴趣的人（包括Thibault）进行数值实验并验证我们的结果。我们将非常乐意提供任何帮助，如果需要的话。
2009-10-01 physics.geo-ph physics.optics
Single acquisition reconstruction of nonlinear susceptibility and Raman tensors at the diffraction limit
University of Geneva（日内瓦大学）；Institute of Physics of NAS of Ukraine（乌克兰国家科学院物理研究所）
本文提出利用Bessel-高斯激光束的空间和超快时间偏移，结合拉曼光谱和二次谐波生成技术，实现非线性光学张量的单次成像重建。
2026-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
High-fidelity intensity diffraction tomography with a non-paraxial multiple-scattering model
提出了一种基于分步非傍轴（SSNP）模型的强度衍射层析（IDT）重建算法，用于恢复多次散射生物样品的三维折射率（RI）分布。高质量IDT重建需要高角度照明来编码3D生物样本的低空间频率和高空间频率信息。我们表明，我们的SSNP模型可以更准确地计算从高角度照明的多重散射相比，基于傍轴近似的多重散射模型。我们将此SSNP模型应用于顺序和复用IDT技术。我们开发了一个统一的重建算法的IDT模式，是高度计算效率和模块化的自动微分框架。我们证明了我们的重建算法在弱散射颊上皮细胞和强散射活$\textit{C. elegans}$蠕虫和活$\textit{C. elegans}$胚胎上的能力。
2022-08-09 eess.IV physics.optics
Deep learning-enabled image quality control in tomographic reconstruction: Robust optical diffraction tomography
在断层摄影重建中，重建图像的图像质量可能由于测量的二维（2D）原始图像数据中的缺陷而显著降低。尽管筛选有缺陷的2D图像的重要性，强大的断层重建，人工检查和基于规则的自动化遭受低吞吐量和准确性不足，分别。在这里，我们提出了基于深度学习的全息数据质量控制，以产生鲁棒和高吞吐量的光学衍射断层扫描（ODT）。其关键思想是将专家的知识提取到深度卷积神经网络中。我们建立了一个广泛的光场图像数据库，其中包含干净/嘈杂的注释，然后根据数据训练了一个二进制分类网络。经过训练的网络优于非专家用户的视觉检查和广泛使用的基于规则的算法，测试准确率> 90%。随后，我们证实，优越的筛选性能显着提高断层图像的质量。为了进一步确认训练模型的性能和可推广性，我们对使用未用于生成训练数据集的设置获得的看不见的生物细胞数据进行了评估。最后，我们使用各种可视化技术解释训练模型，这些技术提供了每个模型推理的显着性图。
2019-03-05 eess.IV physics.optics
Optical Diffraction Tomography based on 3D Physics-Inspired Neural Network (PINN)
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）
光学衍射层析成像（ODT）是一种新兴的三维成像技术，用于半透明样品折射率（RI）的三维重建。已经提出了各种逆模型来基于不同样品的全息检测来重建3D RI，诸如Born近似和Rytov近似。然而，这样的近似通常遭受所谓的缺失锥问题，其导致最终重建沿着光轴的伸长。已经提出了不同的迭代方案来解决丢失锥问题，依赖于物理正演模型和误差函数，该误差函数旨在填充k空间，从而消除丢失锥问题并达到更好的重建精度。在本文中，我们提出了一种不同的方法，其中采用3D神经网络（NN）。神经网络是用从基于光波传播物理学的物理模型导出的成本函数训练的。3D NN从3D RI重建的初始猜测（即Born或Rytov）开始，旨在基于误差函数重建更好的3D重建。使用这种技术，可以在没有不适定重建（Born或Rytov）和地面真实（真实形状）之间关系的任何示例的情况下训练NN。
2022-06-10 cs.CV physics.optics
Far off-Bragg reconstruction of volume holographic gratings: A comparison of experiment and theories
我们进行了光的光学衍射实验的纳米颗粒聚合物体全息光栅在一定的角度范围内，也包括远离布拉格重放。三个衍射理论的比较-在相同的复杂程度上-与我们的实验结果表明，衍射的动力学理论和一阶两波耦合理论，使用β值方法拟合数据非常好。相比之下，流行的两波耦合理论，使用K-矢量闭合方法产生一个数量级更差的均方误差与差的拟合。这些发现必须考虑耦合强度和光栅厚度的准确测定。
2013-06-10 physics.optics
The Theory of Diffraction Tomography
断层扫描是从不同角度拍摄的图像对物体进行三维重建。当成像光束以直线穿过对象时，使用术语经典断层摄影。这种假设对于短波长的光是有效的，例如在X射线断层摄影中。对于经典的层析成像，常用的重建方法是滤波反投影算法，其产生快速且稳定的对象重建。在单细胞成像的背景下，反投影算法已被用于研究细胞结构或使用来自可见光谱的光来量化单细胞内的折射率分布。然而，这些方法，通常概括为光学投影断层扫描，不考虑衍射。Rytov近似的衍射层析成像解决了这个问题。光的波动性质的明确并入导致对象的折射率分布的增强的重建。在这里，我们提出了一个完整的文献综述衍射层析成像。我们从波动方程出发推导理论，并讨论其有效性，重点是折射率层析成像的应用。此外，我们推导了反向传播算法、反向投影算法的衍射层析垂悬，并描述了其在三维中的实现。最后，我们展示了应用程序的反向传播算法的计算机生成的散射数据。这篇综述统一了文献中的不同符号，并详细描述了反向传播算法，为衍射层析成像领域的未来工作提供了可靠的基础。
2016-10-07 physics.bio-ph physics.optics q-bio.QM
Criteria for objects suitable for reconstruction from holograms and diffraction patterns
本研究重新审视并推导了从全息图和衍射图样重建物体的定量判据，基于Parseval定理证明当物体占比极小时纯振幅和纯相位物体均可重建，且迭代算法能大幅放宽对物体尺寸的限制。
2025-08-14 physics.optics
Broadband model-based inversion enables optoacoustic microscopy beyond the acoustic diffraction limit
声学分辨率光声显微镜（AR-OAM）检索解剖和功能的对比度，从活组织的深度无法达到与光学显微镜。AR-OAM的成像性能已经通过提供高横向分辨率的图像重建算法而得到了提升，但最终受到声衍射的限制。在这项工作中，我们提出了一个新的基于模型的框架，有效地利用扫描对称性的高分辨率重建的AR-OAM图像。该模型准确地占空间脉冲响应和大的检测带宽的球形聚偏二氟乙烯传感器，这有利于显着优于合成孔径聚焦技术，通常采用在AR-OAM图像重建的图像对比度和分辨率。此外，基于L1范数正则化的重建能够分辨与其他方法无法区分的结构，这一点通过数值模拟以及体模和体内实验得到证实。所实现的性能证明了AR-OAM作为一种超分辨率成像方法的适用性，该方法能够突破声学衍射所施加的限制，从而为临床前和临床研究中光学不透明组织的显微镜检查开辟了前所未有的能力。
2020-10-21 physics.bio-ph physics.ins-det physics.med-ph
Novel Fourier-domain constraint for fast phase retrieval in coherent diffraction imaging
相干衍射成像（CDI）用于在原子分辨率下可视化物体已经被实现为用于成像单分子的有前途的工具。CDI的缺点与从实验衍射图案的数值相位检索的困难有关;这一事实刺激了寻找更好的数值方法和替代实验技术。常见的相位恢复方法是基于迭代过程，该迭代过程在目标和检测器平面之间传播复值波。对象和检测器平面中的约束都被应用。虽然在大多数相位恢复方法中采用的检测器平面中的约束要求复波的振幅等于测量强度的平方根，但我们提出了一种新的傅立叶域约束，基于与全息术的类比。我们的方法允许在第一步中实现低分辨率重建，然后在进一步的步骤之后实现高分辨率重建。与传统方案相比，该傅立叶域约束导致迭代重建过程的快速和可靠的收敛。
2011-08-25 physics.optics
Subpixel correction of diffraction pattern shifts in ptychography via automatic differentiation
本文提出基于自动微分的叠层衍射成像衍射图样裁剪偏移校正方法，将偏移作为可优化参数联合重建物体与探针，实现亚像素级校正并提升重建自动化与鲁棒性。
2025-07-04 eess.IV physics.optics
Ghostbuster: a phase retrieval diffraction tomography algorithm for cryo-EM
本文提出Ghostbuster算法，通过恢复电子出射波相位并考虑一阶Born近似散射，有效消除了cryo-EM中薄粒子重建产生的ghosts伪影，无需修改现有数据采集流程即可提升重建质量。
2024-01-03 physics.comp-ph physics.optics
Recovering magnetization distributions from their noisy diffraction data
我们研究，利用模拟实验的启发薄膜磁畴图案，相位恢复在X射线衍射成像中的本征电荷散射的存在下，只给出光子散粒噪声有限的衍射数据的可行性。我们详细介绍了一种重建算法，以恢复样品的磁化强度分布在这样的条件下，并比较其性能与傅里叶变换全息。对于未来实验的设计，我们也绘制了当光子散粒噪声和电荷散射噪声强度独立变化时衍射成像的重建极限。这项工作是直接相关的时间分辨成像的磁动力学使用相干和超快辐射的X射线自由电子激光，也更广泛的类别的衍射成像实验遭受噪声数据，丢失的数据或两者兼而有之。
2010-08-06 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.data-an
Image Priors for Single-Shot Coded Diffraction Phase Retrieval
École polytechnique fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；ENS-Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Collège de France（巴黎高等师范学院-巴黎文理研究大学、法国国家科学研究中心、索邦大学、法兰西公学院）
该研究提出用单个随机相位掩模结合图像先验实现单次编码衍射相位恢复，经模拟和光学实验验证，可高效重建复值物体，为定量相位成像提供实用单次模态。
2026-10-14 physics.optics
Photoacoustic imaging beyond the acoustic diffraction-limit with dynamic speckle illumination and sparse joint support recovery
在深部组织光声成像中，空间分辨率固有地受到声波波长的限制。最近，它被证明是可能的，通过分析在一组未知的斑点照明模式下获得的光声图像中的波动超过声衍射极限。在这里，我们的目的是一种方法，以提高重建保真度和分辨率，同时通过利用压缩感知计算重建框架减少采集图像的数量。该方法考虑了系统响应的先验知识和目标结构的稀疏性。我们提供了该方法的原理实验证明，并证明了当使用散斑波动和对象先验时，可以获得更好的性能。我们数值研究的预期性能的测量信噪比和样本的空间稀疏性的函数。所提出的重建框架可以应用于分析现有的光声实验数据包含动态波动。
2019-06-13 cs.IT math.IT physics.optics
Reflection-mode diffraction tomography of multiple-scattering samples on a reflective substrate from intensity images
提出反射模式衍射层析成像技术，结合多散射模型、边界条件及伴随方法，通过强度图像同时恢复前向与后向散射信息，实现高分辨率3D折射率重建，经仿真和实验验证其在高对比度复杂样品中的鲁棒性与多功能性。
2025-02-11 physics.optics
Diffraction tomography with Fourier ptychography
本文介绍了一种方法，在标准显微镜，包括一个LED阵列照明进行衍射断层扫描。在获取厚样品的仅强度图像序列之后，基于重叠关联的重建算法求解其在三维上的未知复折射率。实验显微镜在Nyquist-Shannon采样限（在Sparrow限分别为0.54 $μ$ m和5.0 $μ$ m）下展示了0.39 $μ$ m的空间分辨率和3.7 $μ$ m的轴向分辨率，跨越2.2 mm $\times$ 2.2 mm $\times$ 110 $μ$ m的总成像体积。与竞争方法不同，本文中提出的3D断层图像是连续的，定量的，并且不需要干涉测量或任何移动部件。厚生物标本的宽视场重建在病理学和发育生物学中具有潜在的应用。
2015-10-29 physics.optics
Free log-likelihood as an unbiased metric for coherent diffraction imaging
相干衍射成像（CDI）是一种从单个（2D或3D）衍射图案重建物体的技术，在没有物体范围（支撑）的先验知识的情况下恢复丢失的衍射相位，这妨碍了对解决方案的明确度量评估。我们建议使用一个“自由”的对数似然指标，其中一小部分的点被掩盖的重建算法，作为一个无偏的度量来评估建议的解决方案的有效性，独立的样本研究。我们还展示了如何一组解决方案，可以通过本征分解分析，以产生一个更好的估计的真实对象。实验数据的实例分析，提出了测试图案数据集，和从一个活的蓝藻细胞的衍射图案。该方法允许在广泛的材料（硬压缩、生物等）上验证重建，并且应该特别与第四代同步加速器和X射线自由电子激光相关，其中大的、高通量的数据集需要用于无监督数据评估的方法。
2019-12-12 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Parallax in angular sensitive powder diffraction tomography
本文研究角度敏感粉末衍射层析成像中的几何视差影响，发现其与其他偏移贡献可加、可直接校正，且在完整360°旋转扫描中不影响角信息重建。
2024-08-30 cond-mat.mtrl-sci eess.IV physics.optics
Fluorescence Diffraction Tomography using Explicit Neural Fields
本研究提出结合显式神经场的荧光衍射层析成像技术，通过四大关键组件实现反射模式下从衍射荧光图像重建三维折射率，可对体外大体积异质生物样本完成高精度高分辨率成像。
2024-08-19 eess.IV physics.optics
Efficient Inversion of Multiple-Scattering Model for Optical Diffraction Tomography
École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
本文提出基于非线性Lippmann-Schwinger模型的高效反演方法，通过显式推导雅可比矩阵公式，提升数据保真度梯度计算效率，适用于稀疏约束下的反散射问题求解。
2017-08-31 cs.CE cs.NA math.NA
SPRING: an effective and reliable framework for image reconstruction in single-particle Coherent Diffraction Imaging
针对相干衍射成像中相位丢失问题，提出SPRING框架，采用Memetic相位恢复方法，在SwissFEL和European XFEL实验数据上测试，展现优异稳定性及复杂条件处理能力，开源后为领域提供参考工具。
2025-03-05 cond-mat.mes-hall physics.atm-clus physics.comp-ph
Relative roles of multiple scattering and Fresnel diffraction in the imaging of small molecules using electrons, Part II: Differential Holographic Tomography
有人认为，在原子分辨率透射电子显微镜（TEM）的稀疏弱散射结构，如小的生物分子，多电子散射通常只有很小的影响，而分子内的菲涅耳衍射可以是显着的，由于本质上浅的焦深。这些事实表明，这种结构的三维重建从散焦图像系列收集在多个旋转方向的分子可以有效地执行为每个原子分别，使用非相干第一玻恩近似。相应的重建方法，这里称为差分全息层析，理论上开发和计算证明了几个数值模型的生物分子。结果表明，该方法是能够准确重建的原子在分子中的位置从TEM数据收集在一个小数目的随机取向的分子，与一个或多个散焦图像每个方向。可能的应用低温电子显微镜和其他领域进行了简要讨论。
2020-12-15 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Generalized Backpropagation Algorithms for Diffraction Tomography
滤波反向传播（FBPP）是用于衍射断层摄影（DT）的公知技术。为了使用FBPP精确重建复杂图像，需要完整的$360^{\circ}$角度覆盖。然而，已经表明，在断层摄影设置中使用投影数据中的一些固有冗余，在被称为最小扫描角度范围的$270^{\circ}$覆盖范围的情况下，精确重建仍然是可能的。这可以通过在对象的投影数据上应用加权函数（或滤波器）以消除冗余并从该较低的角度覆盖准确地重建图像来完成。本文演示了程序，以产生许多一般类的这些加权过滤器。这些在$270^{\circ}$覆盖下都是等效的，但是在较低的角度覆盖下和在存在噪声的情况下会有不同的表现。本文对角度覆盖范围小于$270^{\circ}$最小扫描角度时的不同滤波器进行了对比分析。仿真研究已经完成，以找到最佳的权重过滤器的子最小的角度覆盖。最佳权重可以生成与全$360^{\circ}$覆盖FBPP重建相当的图像。这些存在噪声的性能进行了分析。这些算法即使在$200^{\circ}$的角度覆盖下也能够重建几乎无失真的复杂图像。
2016-05-05 physics.med-ph physics.optics
Constraint-Free Coherent Diffraction Imaging via Physics-Guided Neural Fields
Lund University（隆德大学）
本文提出CDIP框架，通过结合神经场和物理一致模型，实现无约束的相干衍射成像，提升静态和动态重建的保真度与稳定性。
2025-12-10 physics.optics
Using Automatic Differentiation as a General Framework for Ptychographic Reconstruction
相干衍射成像方法使得成像能够超过透镜施加的分辨率限制。在这些方法中，可以通过使误差度量最小化来恢复对象，该误差度量量化所观察到的衍射图案与从对象的当前猜测计算的衍射图案之间的差异。有效的最小化方法需要对误差度量的导数进行分析计算，这并不总是简单的。这限制了我们探索基本成像方法变化的能力。在本文中，我们建议用自动微分方法代替解析导数表达式，从而我们可以通过仅指定基于物理的实验前向模型来实现对象重建。我们证明了所提出的方法的一般性，通过简单的对象重建各种复杂的重叠关联的实验模型。
2019-05-21 eess.IV physics.optics
Three-Dimensional Optical Diffraction Tomography with Lippmann-Schwinger Model
成像模态的广泛类别涉及逆散射问题的分辨率。其中，三维光学衍射层析成像（ODT）有其自身的挑战。这些包括有限的视野范围、相对于照明波长的大尺寸样品以及系统本身固有的光学像差。在这项工作中，我们提出了一个准确和有效的实现的前向模型。它依赖于精确的（非线性）李普曼-施温格方程。我们解决了几个关键问题，如格林函数的离散化，远场的计算，入射场的估计。然后，我们将此模型部署在正则化变分重建框架中，并在模拟和真实数据上显示，它比传统上用于ODT的近似模型能够更好地重建。
2019-10-29 eess.IV physics.optics
Combining optical diffraction tomography with imaging flow cytometry for characterizing morphology, hemoglobin content, and membrane deformability of live red blood cells
本文改进光学衍射层析成像与成像流式细胞术中红细胞旋转角估计，实现健康及戊二醛处理红细胞的三维重建，可定量形态、血红蛋白和膜波动变化。
2023-09-26 physics.med-ph physics.optics
Real-time digital holographic microscopy observable in multi-view and multi-resolution
我们提出了一种实时数字全息显微术，它可以同时再现多个图像，具有任意的分辨率，深度和位置，使用移位菲涅耳衍射代替菲涅耳衍射。在这个系统中，我们使用四个图形处理单元（GPU）的多个实时重建。我们展示了四个重建图像的演示从全息图与任意的深度，位置和分辨率。
2010-01-26 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.optics
Numerical methods for phase retrieval
Technion — Israel Institute of Technology（以色列理工学院）
针对傅里叶变换幅度重建信号（相位恢复）问题，提出基于连续优化的高效方法，通过近似已知傅里叶相位条件实现快速鲁棒重建，速度比混合输入输出（HIO）方法快数个数量级，并扩展至全息术和干涉测量。
2012-03-11 astro-ph.IM cs.NA math.NA
Ptychographic reconstruction with wavefront initialization
X射线重叠关联成像是一种提供超高空间分辨率的尖端成像技术。在重叠关联成像中，相位恢复，即，通过利用包含在利用重叠照明测量的衍射图案中的信息的冗余，能够从仅强度测量中恢复复值信号。对于样本是相当大的比探针，我们表明，在迭代过程中，大量的信息必须从样本的边缘传播到中心。这构成了使用平坦初始化的算法的重建速度的固有限制。在这里，我们的实验表明，一个相当大的提高计算速度，可以实现通过利用低分辨率的样品波前检索从测量的衍射图案作为初始化。此外，我们表明，这种方法避免了由于强相位梯度的相位奇异性文物。波前初始化在计算上是快速的并且与非大体积样本兼容。因此，所提出的方法是很容易适应既定的重叠关联重建算法，这意味着广泛的使用。
2022-05-22 cond-mat.mtrl-sci eess.IV physics.optics
Three-dimensional optical diffraction tomographic microscopy with optimal frequency combination with partially coherent illuminations
我们展示了一个三维（3D）光学衍射层析技术与最佳频率组合（OFC-ODT）的三维定量相位成像的未标记的标本。在一个环形孔径和两个圆形孔径下，利用不同的相干参数，分别拍摄了三组离焦光强图像。将对应于不同照明孔径的3D相位光学传递函数（POTF）相结合以获得最佳合成的频率响应，从而实现高质量、低噪声的3D重建，其成像分辨率高达非相干衍射极限。此外，还对环形照明的三维成像性能进行了研究，推导并分析了任意照明光瞳下的三维POTF表达式。结果表明，通过引入一个互补环形光阑，可以有效地解决高数值孔径条件下的相衬冲刷效应，从而大大提高了相衬度，提高了实际成像分辨率。为了测试所提出的OFC-ODT技术的可行性，三维折射率重建结果的基础上，一个模拟的三维分辨率的目标和实验研究的微聚苯乙烯珠和未染色的生物样品。由于其高分辨率的3D相位成像能力以及与广泛使用的商业显微镜的兼容性，OFC-ODT有望在生物和生物医学研究中找到多方面的应用。
2018-03-03 physics.bio-ph physics.optics
Recover Biological Structure from Sparse-View Diffraction Images with Neural Volumetric Prior
University of California, Davis（加州大学戴维斯分校）；California Institute of Technology（加州理工学院）
本文提出融合显式/隐式神经表示与衍射光学先验的NVP，可从稀疏视角显微图像高保真重建无标记半透明生物样品，图像需求减少近50倍、处理时间缩短3倍。
2025-10-18 physics.optics
Diffractive shear interferometry for extreme ultraviolet high-resolution lensless imaging
我们展示了一种新的成像方法和相关的重建算法的远场相干衍射成像的基础上测量的一对横向剪切衍射图案。与传统的相干衍射成像方法相比，从这样的测量中检索的差分相位轮廓导致改进的重建精度、增加的抗噪声鲁棒性和更快的收敛。我们测量横向剪切衍射图案使用傅里叶变换光谱与两个锁相脉冲对从高次谐波源。使用这种方法，我们证明了光谱分辨成像在28和35 nm之间的极紫外波长。
2018-02-22 physics.optics
On electron imaging of small molecules, Part I: relative roles of multiple scattering and Fresnel diffraction
讨论了在小分子透射电子显微术中，多次电子散射和分子内自由空间传播的相对作用。有人认为，虽然多重散射往往只有一个温和的效果，在这种情况下，在分子菲涅耳衍射可能是显着的，由于浅的焦点深度在相关的实验条件下。因此，与本质上基于投影近似的传统计算机断层摄影相比，基于第一玻恩或第一Rytov近似的衍射断层摄影表示用于在此背景下重建静电势的三维分布的更合适的方法。提出了一种衍射层析的简化方法，并通过数值模拟实例进行了验证。
2019-11-28 eess.IV physics.optics
Holographic single particle imaging for weakly scattering, heterogeneous nanoscale objects
X射线自由电子激光器（XFEL）的单粒子成像（SPI）是一种通过随机取向的纳米级物体（如生物分子）的大量衍射图案来确定这些物体的3D结构的技术。在X射线SPI实验过程中，收集了数百万个具有未知方向的低信噪比衍射图案。然后使用重建算法分析和合并图案以检索颗粒的完整3D结构。重建的分辨率受到背景噪声、衍射图信噪比和采集数据总量的限制。我们最近引入了一种参考增强全息单粒子成像方法[Optica 7，593 -601（2020）]，以收集足够高的信噪比和背景容忍模式，以及一种重建算法，以恢复超出方向的丢失参数，然后直接检索感兴趣样品的完整傅立叶模型。在这里，我们描述了一种相位恢复算法的基础上最大似然估计使用模式搜索被称为MaxLP，具有更好的可扩展性，精细采样的潜在参数和更好的性能在低信号限制。此外，我们表明，目标颗粒内的结构变化的平均在真实空间中，显着提高鲁棒性的构象异质性相比，传统的SPI。通过这些计算改进，我们相信参考增强SPI能够达到亚nm分辨率的生物分子成像。
2022-10-19 eess.IV physics.data-an physics.optics
Phase Aberrations in Diffraction Microscopy
在相干X射线衍射显微镜中，记录由相干X射线照射的样品产生的衍射图案，并且计算机算法恢复未测量的相位以合成图像。通过避免使用透镜，分辨率原则上仅受记录的最大散射角的限制。然而，成像任务从实验转移到计算机，并且该算法在存在噪声和有限的先验知识的情况下恢复有意义的图像的能力可能在重建图像中产生像差。我们分析了相位恢复算法产生的低阶像差。我们提出了两种方法来提高重建的精度和稳定性。
2005-10-06 physics.optics
Wide viewing angle realization for sampled hologram by collecting high-order diffraction beams
我们提出利用像素结构对全息数据进行采样产生的高阶衍射光束，可以实现全息图像的视角扩展。衍射光束传播到新的光轴方向上，起到了类似于离轴全息载波信号的调制载波的作用，这使得新的观察区的重建图像。菲涅耳全息图中的再现像沿新的观察方向发生变形，而傅里叶全息图则可以从其他角度再现三维图像。高分辨率全息图条纹通过成像系统成像在像平面上，因此，仅衍射光束的收集增加了视域角。我们通过对显示具有不同视区的高阶衍射光束的取样全息图的数值分析来验证我们的建议。
2013-12-23 physics.optics
Image processing as state reconstruction in optics
将部分相干光的图像重建解释为量子态重建。提出了一种基于最大似然估计的有效方法，从受噪声影响的注册强度测量中获取信息。指出了与完全非相干图像恢复的联系。数值计算表明了该方法的可行性。空间和相关性的细节显着小于衍射极限中揭示的重建图案。
2003-09-30 physics.gen-ph physics.optics quant-ph
Phase retrieval without prior knowledge via single-shot Fraunhofer diffraction pattern of complex object
夫琅和费衍射是一种众所周知的现象，即使没有透镜，也可以在大多数波长下实现。单次衍射强度测量通常被认为不足以重建原始光场，因为丢失的相位部分是逆变换所不可缺少的。相位恢复通常通过两种方式进行：先验知识或多个不同的测量。然而，先验知识适用于某些类型的对象，而多个测量是困难的短波长。在这里，通过引入非正交测量通过高密度采样方案，我们证明了一个单次拍摄的复杂物体的夫琅和费衍射图案是足够的相位恢复。仿真和实验结果都证明了该方案的可行性。复杂目标的重建可以揭示深度信息或折射率信息，在大多数情况下可以实现单炮测量。它们的结合将拓宽相干衍射成像的应用领域。
2019-11-30 eess.IV physics.optics
Physics-informed neural networks for diffraction tomography
École polytechnique fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）
我们提出了一个物理信息的神经网络作为生物样品的断层重建的前向模型。我们证明，通过训练这个网络与亥姆霍兹方程作为一个物理损失，我们可以准确地预测散射场。它将表明，一个预先训练的网络可以微调不同的样本，并用于解决散射问题比其他数值解快得多。我们评估我们的方法与数值和实验结果。我们的物理信息神经网络可以推广到任何正向和反向散射问题。
2022-07-28 cs.AI cs.CE physics.optics
High-Performance Multi-Mode Ptychography Reconstruction on Distributed GPUs
重叠关联成像是一种新兴的成像技术，能够从具有扩展横向尺寸的样品提供波长受限的空间分辨率。作为扫描显微镜方法，典型的二维图像需要多个数据帧。作为一种基于衍射的成像技术，必须通过迭代重建算法来恢复实空间图像。由于这两个固有方面，重叠关联重建通常是计算密集且耗时的过程，这限制了该方法的吞吐量。我们报告了一个加速版本的多模式差分映射算法的重叠关联重建使用多个分布式GPU。这种方法利用了Python中可用的科学计算包，包括mpi4py和PyCUDA，核心计算功能在CUDA C中实现。我们发现，有趣的是，即使使用MPI集体通信，GPU节点数量的弱缩放仍然可以保持几乎恒定。最重要的是，对于现实的衍射测量，我们观察到的加速范围从$10$到$10^3$的因素取决于数据的大小，这减少了重建时间显着从小时到通常约1分钟，因此是至关重要的实时数据处理和可视化。
2018-08-30 cond-mat.mes-hall cs.DC physics.comp-ph
Extended object reconstruction from image intensities blurred by unknown aberrations
我们描述和实验验证的算法来重建一个未知的扩展对象通过焦点测量的图像强度模糊的未知像差。实验结果表明，该方法可以恢复衍射极限图像质量。该算法是传统自适应光学的严格的计算光学替代方案，传统自适应光学需要额外的高端光学设备来测量和校正波前像差。该方法适用于任何满足非相干成像条件的光学系统。
2015-10-28 physics.optics
Progress in Three-Dimensional Coherent X-Ray Diffraction Imaging
相位相干衍射图案的傅里叶反演提供了图像，而没有基于透镜的层析成像系统的分辨率和焦深限制。我们报告我们最近的实验图像反转使用相位恢复算法的最新发展，并总结了导致这些成就的努力。其中包括二维测试图案的从头算重建、厚物体的无限焦深图像及其高分辨率（~10 nm分辨率）三维图像。讨论了低密度气凝胶样品结构成像的研究进展。
2005-10-06 physics.optics
Depth-resolved Laue microdiffraction with coded-apertures
我们介绍了一种快速的数据采集和重建方法来成像材料的晶体结构和相关的应变和取向在微米分辨率使用劳厄衍射。我们的方法依赖于扫描编码孔径的衍射X射线光束从宽带照明，和重建算法来解决劳厄微衍射图案作为沿入射照明路径的深度的函数。这种方法提供了一个快速访问完整的衍射信息在亚微米体积元素在散装材料。在这里，我们提出的理论以及这种成像方法的实验验证。
2022-09-13 cond-mat.mtrl-sci eess.SP physics.optics
Unveiling Nano-scale Crystal Deformation using Coherent X-ray Dynamical Diffraction
Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences（上海高等研究院，中国科学院）；Condensed Matter Physics and Materials Science Division, Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室凝聚态物理与材料科学部）；Department of Physics, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学物理学院）；Computational Science Initiative, Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室计算科学倡议）；Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室先进光子源）；London Centre for Nanotechnology, University College London（伦敦纳米技术中心，伦敦大学学院）
本文提出基于自动微分的重建方法，利用相干X射线动态衍射技术实现大晶体中三维局部应变的高精度重建。
2025-12-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Radiation-damage-free ghost diffraction with atomic resolution
X射线自由电子激光（XFEL）可以对辐射敏感度太高的蛋白质晶体或单分子进行衍射结构测定。然而，电子形状因子可能已被修改，在超短X射线脉冲由于光电离和电子级联引起的强X射线脉冲。对于一般的X射线成像技术，最小化辐射损伤效应是主要关注的问题，以确保结构的忠实重建。在这里，我们表明，辐射损伤的自由衍射可以实现原子的空间分辨率，通过使用X射线参量下转换（XPDC），和双色双光子鬼衍射。我们说明，衍射图案的形成满足类似于布拉格方程的条件，与分辨率，可以作为精细的晶格长度尺度的几埃。由于样品被低能量的可见光子照射，因此它们可以免于辐射损伤。
2017-01-27 physics.optics quant-ph
Image Scanning Microscopy Reconstruction by Autocorrelation Inversion
针对图像扫描显微镜（ISM）四维数据集的超分辨重建问题，提出一种基于自相关反演的新方法，无需PSF先验即可提升分辨率，重建质量优于自适应像素重分配（APR）方法。
2024-04-13 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Phase retrieval for Bragg coherent diffraction imaging at high X-ray energies
具有能量$\geq 50$ keV的相干X射线束可以通过布拉格相干衍射成像（BCDI）潜在地实现块体多晶材料中的单个微晶内的原子晶格畸变场的三维成像。然而，由于在高X射线能量下的傅立叶空间压缩而导致的衍射信号的欠采样使得传统的相位恢复算法不适合于三维重建。为了解决这个问题，我们利用相位恢复方法与傅立叶约束专门定制的欠采样衍射数据测量与粗间距检测器像素，bin的基础信号。与我们的方法，我们表明，它是可能的重建三维应变微晶从欠采样布拉格衍射数据集像素面积集成，而不必物理上采样的衍射信号。使用模拟和实验结果，我们证明了相位恢复期间傅里叶空间压缩的显式建模提供了一种可行的方法来反转高能BCDI数据，否则这是很棘手的。
2018-11-15 cond-mat.mtrl-sci eess.SP physics.optics
Diffraction tomography with a deep image prior
我们提出了一种断层成像技术，称为深度先验衍射断层扫描（DP-DT），重建的3D折射率（RI）厚的生物样品在高分辨率从一系列低分辨率的图像收集下的角度变化的照明。DP-DT使用通过深度图像先验（DIP）扩展的相位恢复算法处理多角度数据，该算法使用未经训练的深度生成3D卷积神经网络（CNN）重新参数化3D样本重建。我们表明，DP-DT有效地解决了丢失的圆锥体问题，否则会降低标准3D重建算法的分辨率和质量。由于DP-DT不需要预先捕获的数据或预先训练，因此它不会偏向任何特定的数据集。因此，它是一种通用技术，可以应用于各种各样的3D样本，包括用于监督训练的大型数据集不可行或昂贵的场景。我们应用DP-DT获得珠幻影和复杂的生物标本的3D RI图，无论是在模拟和实验中，并表明DP-DT产生更高质量的结果比标准的正则化技术。我们进一步证明了DP-DT的一般性，使用两种不同的散射模型，第一玻恩和多切片模型。我们的研究结果指出了DP-DT对其他3D成像方式的潜在好处，包括X射线计算机断层扫描，磁共振成像和电子显微镜。
2019-12-10 eess.IV physics.bio-ph physics.optics
