近日，中国科学技术大学国家同步辐射实验室田扬超研究团队在X射线谱学相干衍射成像（X-rayspectroscopic ptychography）数据处理算法研究取得重要进展。团队提出跨能量结构一致性约束（cross-energy structural consistency constrain）算法，实现欠采样X射线谱学相干衍射成像数据的成功重建。相关成果以“Spatially under-sampled spectroscopic ptychography by exploiting cross-energy structural consistency”为题发表在Optica上。

X射线谱学相干衍射成像是同步辐射领域重要的纳米显微谱学表征技术，可同步获取样品纳米尺度微观结构，以及元素价态、组分分布等定量化学信息，在储能材料、生物细胞、催化颗粒等前沿研究领域拥有广泛应用。但传统技术方案依赖高冗余扫描模式，需要在每一个光子能量点开展密集扫描，存在数据采集耗时长、数据冗余度高等痛点，还容易引发样品漂移、图像配准失真以及样品辐射损伤等问题。

研究团队利用多数样品“多能量下主体结构保持不变，仅局部区域发生谱学响应变化”这一固有特征，自动识别光谱弱响应区域，将跨能量下稳定不变的结构信息作为额外实空间约束引入重建过程。不同能量通道的重建不再相互独立，可共享可信的结构先验信息。

图1：跨能量结构一致性约束算法重建流程图。

同步辐射实验验证表明，在保持视场不变、成像质量相当的条件下，该算法仅需要传统方案约四分之一的数据量，能够显著缩短采集耗时，有效降低样品所受辐射剂量。该研究打破单能量独立重建的固有范式，为挖掘利用跨能量维度的数据冗余提供了高效可行的技术路径。

图2：706.6 eV下稀疏采样条件中的重建结果。(a)由完整数据集重建得到的参考图像。(b)在不同稀疏水平下，使用传统Mm-rPIE算法和所提出CSCC算法获得的重建结果比较。样品比例尺为1μm。

中国科学技术大学国家同步辐射实验室博士生张浩南为该文的第一作者，田扬超研究员、李鹏特任研究员、关勇高级工程师为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科大双一流研究计划基金、中国科学院青年创新促进会的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.603849

（国家同步辐射实验室、科研部）