Predicting ptychography probe positions using single-shot phase retrieval neural network

要約

タイコグラフィーは、材料科学、生物学、ナノテクノロジーなどのさまざまな分野で使用される強力な画像技術です。
ただし、再構成されたタイコグラフィー画像の精度は、多くの場合エラーを含む、記録されたプローブ位置の精度に大きく依存します。
これらの誤差は通常、数値最適化アプローチによる位相回復と併用して修正されます。
誤差がスキャンパスに沿って蓄積する場合、または誤差の大きさが大きい場合、これらのアプローチでは満足のいく結果が収束しない可能性があります。
我々は、位置誤差が大きいデータに対するタイコグラフィープローブの位置予測のための根本的に新しいアプローチを提案します。このアプローチでは、ニューラルネットワークを使用して個々の回折パターンに対してシングルショット位相検索を行い、各スキャンポイントでオブジェクト画像を生成します。
次に、これらの画像間のペアごとのオフセットが、堅牢な画像レジストレーション方法を使用して検出され、その結果が結合されて、一次方程式を構築して解くことによって完全なスキャン パスが得られます。
$10^2$ ピクセルのオーダーで大きく累積した誤差を持つデータに対して、私たちの方法が良好な位置予測精度を達成できることを示します。この誤差は、最適化ベースのアルゴリズムが収束に失敗することがよくあります。
干渉計などの高度な位置制御装置を持たないタイコグラフィー機器の場合、私たちの方法は実用的な可能性が大きくあります。

要約(オリジナル)

Ptychography is a powerful imaging technique that is used in a variety of fields, including materials science, biology, and nanotechnology. However, the accuracy of the reconstructed ptychography image is highly dependent on the accuracy of the recorded probe positions which often contain errors. These errors are typically corrected jointly with phase retrieval through numerical optimization approaches. When the error accumulates along the scan path or when the error magnitude is large, these approaches may not converge with satisfactory result. We propose a fundamentally new approach for ptychography probe position prediction for data with large position errors, where a neural network is used to make single-shot phase retrieval on individual diffraction patterns, yielding the object image at each scan point. The pairwise offsets among these images are then found using a robust image registration method, and the results are combined to yield the complete scan path by constructing and solving a linear equation. We show that our method can achieve good position prediction accuracy for data with large and accumulating errors on the order of $10^2$ pixels, a magnitude that often makes optimization-based algorithms fail to converge. For ptychography instruments without sophisticated position control equipment such as interferometers, our method is of significant practical potential.

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