2025年7月16日，华中科技大学精密仪器研究中心团队在《激光与光电子学进展》发表了题为“基于并行互相关的叠层衍射成像扫描位置误差校正方法”的研究论文。该研究针对叠层衍射成像中扫描平台位置误差导致的分辨率下降问题，提出了一种高效、鲁棒的并行互相关校正方法，显著提升了成像系统的定位精度与重建质量。论文第一作者为钟磊，刘力、杜锦祥为共同作者，谷洪刚教授与刘世元教授为通讯作者。

图1 基于并行互相关的叠层衍射扫描位置误差校正方法迭代流程图

叠层衍射成像通过照明探针与样品的相对扫描实现大视场、高分辨率成像，但其分辨率受限于运动台的定位精度。传统校正方法如模拟退火、粒子群优化等，虽能一定程度减小误差，但存在计算成本高、收敛慢、易陷入局部最优等问题。已有的串行互相关方法虽提升了精度，但对参数敏感且依赖高上采样率，仍难以兼顾效率与鲁棒性。

研究团队创新性地提出了并行互相关扫描位置误差校正框架，如图1所示。该方法通过构建虚拟探针矩阵，在迭代过程中并行计算更新前实际探针、虚拟探针与更新后实际探针的互相关峰值，并结合动态加权函数进行位置优化。这一设计不仅扩大了位置搜索范围，还通过虚拟探针间的相互制约有效抑制了收敛振荡，避免陷入局部最优。

图2 USAF-1951的叠层衍射成像结果。（a）粒子群方法；（b）模拟退火方法；（c）串行互相关位置校正方法；（d）并行互相关位置校正方法

实验与仿真结果均表明，该方法在各项性能指标上均表现卓越。在重建质量方面，该方法重建的幅值与相位图像在结构相似性（SSIM）和峰值信噪比（PSNR）上显著优于传统方法，伪影得到有效抑制。在校正精度方面，即便在初始误差高达±15像素的挑战条件下，该方法也仅需百次迭代即可将误差降至0.005像素，校正后的探针位置分布紧密收敛于理论网格。与模拟退火、粒子群优化和串行互相关方法相比，该方法在收敛速度上分别提升10倍、4倍和3倍，校正精度则分别提升20倍、10倍和6倍，展现出显著的综合优势。

在实验验证中，该方法在实际成像任务中同样表现优异。对USAF-1951分辨率靶标的成像结果显示，经所提方法校正重建后的图像，其第7组第6单元（对应2.19 µm线宽）特征清晰可见，整体对比度高、伪影少，重建效果显著优于其他对比方法（图2a-d）。此外，在青蛙血涂片生物样本的成像实验中，该方法重建的图像轮廓清晰、细节丰富，进一步验证了其在复杂实际样本中的有效性与鲁棒性。

该方法无需复杂参数调节与高上采样操作，计算效率高、鲁棒性强，不仅适用于叠层衍射成像，还可拓展至傅里叶叠层成像、编码衍射成像及断层扫描等领域，为高精度计算成像系统的位置自校准提供了切实可行的解决方案。

论文信息：

钟磊, 刘力, 杜锦祥, 谷洪刚, 刘世元, "基于并行互相关的叠层衍射成像扫描位置误差校正方法," 激光与光电子学进展 62, 1411003 (2025).