《Optics and Lasers in Engineering》：Imaging contrast–based quantitative assessment of structural deviations in X-ray imaging zone plates
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菲涅耳波带片作为传输X射线显微术的核心元件，其结构参数与成像质量的关系尚未明确。本研究以成像对比度为评估指标，系统分析占空比、区高度和支撑结构对成像质量的影响，发现占空比偏差通过引入非均匀像差成为主要限制因素，而区高度和支撑结构的影响较小。研究成果为波带片结构优化和制造控制提供理论依据，推动X射线显微术性能提升。
Kuanqiang Zhang|Changhao Li|Chenfei Guo|Chao Zhang|Menghui He|Wen Liu|Zhao Wu|Yong Guan|Ying Xiong|Yangchao Tian|Gang Liu
中国科学技术大学国家同步辐射实验室，合肥230029，中国
摘要
菲涅尔区带板是透射X射线显微镜的核心光学元件，其结构特性对成像质量起着决定性作用。然而，以往的研究主要集中在提高空间分辨率和衍射效率上，而区带板结构参数与成像质量之间的定量关系尚未得到充分探讨。本研究引入成像对比度作为核心评估指标，系统地研究了占空比、区带高度和加固结构对成像质量的影响。结果表明，占空比的偏差对成像对比度的影响最为显著，因为不均匀性会引入额外的像差，从而显著降低对比度，成为限制成像质量的主要因素。相比之下，区带高度均匀性和加固结构的变化主要影响衍射效率，对对比度的影响较小。本研究建立了区带板结构参数与成像对比度之间的内在联系，为结构优化和制造控制提供了理论基础，并为提高X射线显微镜性能指明了方向。
引言
由于透射X射线显微镜（TXM）具有高穿透力、非破坏性和纳米级空间分辨率，因此在材料科学、生物医学、能源研究和环境研究领域得到了广泛应用[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。作为TXM的核心光学组件，成像区带板的性能直接决定了成像质量[[8,9]]。因此，精确评估和优化区带板的光学性能对于提高X射线成像质量至关重要。
传统的区带板性能评估方法可分为结构表征和基于成像的测试[[10], [11], [12], [13]]。结构表征通常使用电子显微镜或原子力显微镜进行，能够定量分析关键几何参数，如最外层区带宽度、占空比（DC）和区带高度[[14], [15], [16]]。这种方法可以直观地了解区带板的几何特性，为工艺优化和缺陷分析提供依据。然而，结构表征仅反映几何精度，无法直接评估其在TXM系统中的光学性能。相比之下，基于成像的测试可以直接获得结果，通过衍射效率、空间分辨率和成像对比度等指标全面评估光学性能。其中，衍射效率代表区带板的能量利用效率，主要受区带高度限制[[17], [18], [19]]；空间分辨率反映系统能够分辨的最小特征尺寸，主要受最外层区带宽度限制[[19], [20], [21]]；成像对比度则综合了结构缺陷、系统噪声、样品吸收特性和光源稳定性等因素的影响[[22], [23], [24]]。因此，基于成像对比度的定量分析可以从成像角度直接评估区带板的性能，更接近实际成像效果。
然而，此类成像测试依赖于大型设施（如同步辐射源）和复杂的实验程序，限制了其作为常规评估方法的适用性。相比之下，结构表征更高效且可重复，有助于快速反馈工艺优化和直接评估成像性能。因此，建立结构参数与成像对比度之间的定量关联至关重要，因为它能够基于结构特征直接评估性能，并支持工艺优化和成像能力的提升。
传统方法主要通过最外层区带的线宽和高度来评估区带板的分辨率和衍射效率，但对成像对比度的了解有限。为克服这一局限，本研究采用成像对比度作为主要评估指标，系统分析了制造过程中不可避免的结构偏差（占空比偏差、区带高度偏差和加固结构）对衍射效率和成像对比度的影响。基于这些分析，建立了一个结构-性能关联模型，以便从成像角度直接评估区带板的性能。通过数值模拟研究了不同结构参数组合对衍射效率和成像对比度的影响，揭示了影响高对比度成像的关键因素，并确定了最佳参数范围。为了验证模拟结果的可靠性，制备并测试了最外层区带宽度为30 nm、占空比为0.5和0.7的菲涅尔区带板。
实验与结果
模拟结果表明，衍射效率和成像对比度之间存在正相关关系，这两者都受到区带板结构参数的影响。其中，占空比对高分辨率成像对比度的影响最为显著，其次是区带高度和加固结构。为了进一步验证这一发现，使用电子束光刻结合电镀技术制备了最外层环宽度为30 nm的区带板，并对其结构进行了详细分析
结论
本研究系统地研究了菲涅尔区带板结构参数对X射线成像质量的影响。通过引入成像对比度作为定量指标，并结合数值模拟和实验验证，阐明了影响成像性能的机制。结果表明，占空比的偏差对成像对比度的影响最为显著，因为不均匀性会引入额外的像差，从而显著降低对比度
致谢
本研究得到了中国科学院科学仪器开发项目（项目编号：PTYQ2024YZ0012）和中国国家自然科学基金（项目编号：12475326）的支持。
CRediT作者贡献声明
Kuanqiang Zhang：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、软件开发、方法论、实验设计、数据分析、概念构思。Changhao Li：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件开发、方法论、实验设计。Chenfei Guo：撰写 – 审稿与编辑、方法论、实验设计。Chao Zhang：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据管理。Menghui He：验证、数据管理。Wen Liu：验证、实验设计。Zhao Wu：软件开发
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
