2025年4月17日，国际计量技术联合会（IMEKO）旗舰期刊《Measurement》刊发精密仪器研究中心团队在叠层衍射计算成像领域最新成果，题为“Wavelet-domain autofocusing algorithm for lensless ptychographic imaging（面向无透镜叠层衍射成像的小波域自聚焦算法）”。博士生刘力为论文第一作者，刘世元教授和谷洪刚教授为通讯作者，博士生钟磊、张启航，硕士生庄柏霖、杜锦祥、梁昊阳、陈晗祺、刘昀浩为论文共同作者。

无透镜叠层衍射成像技术通过迭代算法从衍射强度中重建样品的振幅与相位信息，摆脱了传统光学透镜的物理限制。然而，在实际成像过程中，样品与探测器之间微小的轴向距离偏差会导致扫描坐标扰动，进而引入重建伪影，严重影响成像质量。传统的自聚焦算法大多基于图像灰度梯度，对噪声敏感且容易陷入局部最优，校准精度与稳定性受限。

图1 基于DWT-zPIE的叠层衍射成像自聚焦算法流程图

针对这一长期存在的技术瓶颈，研究团队创新性地提出了基于小波域的自聚焦算法（DWT-zPIE），利用小波变换提取近似、水平、垂直与对角线四个维度的系数，从空间与频域多个维度综合评价重建图像的清晰度。该方法不仅避免了传统算法对参数初始值和噪声的高敏感性，还能有效抑制迭代过程中的振荡与串扰，实现快速、稳健的轴向距离校准。

为验证算法性能，团队开展了系统的仿真与实验研究。在数值仿真中，DWT-zPIE算法在校准误差和收敛不确定性上比传统方法提升了两个数量级。在USAF-1951分辨率靶实验中，轴向距离校准不确定度降低至0.02毫米，重建质量显著优于传统方法。在人血细胞生物样品实验中，成像系统在校准后分辨率达到1.32微米（全周期），较传统方法提升近两倍，成像因子k优化到接近阿贝衍射极限。

图2 USAF-1951 分辨率靶实验结果

图3 人体血细胞涂片实验结果

该研究不仅适用于叠层衍射成像，还可扩展至编码叠层衍射成像、同轴全息、多平面相位恢复等多种相干衍射成像技术中。其在生物医学成像、材料科学检测、半导体工业检测等领域具有重要的应用潜力，尤其适用于对成像稳定性和自动化要求高的场景。

论文信息：

L. Liu, B. Zhuang, J. Du, L. Zhong, H. Liang, H. Chen, Q. Zhang, Y. Liu, H. Gu, S. Liu, "Wavelet-domain autofocusing algorithm for lensless ptychographic imaging," Measurement 253, 117634 (2025).