近一个世纪以来,显微成像技术为各个学科领域带来了深入的变革,人们不仅希望能够获得高的分辨率,而且希望得到物质内部的三维结构信息。目前比较成熟的显微成像方法中,诸如扫描电子显微镜(SEM),扫描隧道显微镜(STM)以及原子力显微镜(AFM)等,虽然有很高的分辨率,但是只能观察到样品表面的显微结构,无法看到样品内部的结构信息。运用成熟的X射线晶体衍射成像方法(XRD)能够得到物质内部原子的三维排布,但是要求样品是很好的结晶体,而在实际应用中,有许多材料得不到足够好的结晶体,甚至以目前的技术根本无法结晶,因此对于不能结晶的非周期性样品来说,不能通过传统的X射线晶体衍射的方法来测定它们的结构。X射线荧光全息术(X-ray Fluorescence Holography,XFH)能够达到原子尺度的分辨率,然而该方法同样要求样品是晶体。X射线相位衬度成像(X-ray Phase Contrast Imaging,XPCI)可以实现高分辨三维成像,分辨率可达到亚微米量级,但是对于无序纳米材料、量子点和量子线、生物单细胞以及单个复杂大蛋白等样品,这样的分辨率还不能满足要求。　　 相干X射线衍射成像(Coherent X-ray Diffractive Imaging,CXDI)是一种新型衍射显微术,近十年来发展非常迅速,该方法不要求样品是结晶体,同时成像分辨率高(目前最好的分辨率可达到5nm左右),而且可以实现三维重建观察样品内部的结构信息。近年来随着光源技术和实验技术的不断进步,第三代同步辐射光源尤其是第四代光源自由电子激光的发展,为我们提供了高相干性的X射线光源,使得CXDI应用实验研究的推广成为了可能。论文利用CXDI方法建立了一套数字模拟平台和实验平台,完成了二维及三维相位重建程序的开发,搭建了一套实用的实验平台,开展了初步实验,利用论文合作者在国外同步光源取得的实验数据进行重建,验证了重建程序的有效性,再现了酵母孢子某一角度的二维投影电子密度分布。论文研究中取得的主要成果和创新点包括:　　 1、采用IDL,语言,开发完成了一套相位重建程序,包括相干X射线衍射成像的二维及三维重建模拟,不同边界约束条件下对酵母孢子的衍射实验数据进行二维相位重建,并对重建程序进行了优化。　　 2、运用混合输入输出算法(Hybrid Input-Output)研究了过采样比对重建结果的影响。通过对不同过采样比情况下重建过程的收敛曲线分析,发现存在一个最有利于相位重建的过采样比区域,为相干X射线衍射成像实验中过采样比的选择提供了参考。　　 3、针对HIO算法中静态边界约束条件会导致重建结果不完整及出现孪生像的问题,采用自适应的动态边界约束条件有效地避免了以上两种问题的出现。同时采用边界自动寻找算法(shrinking-wrap algorithm)避免了传统HIO算法需要已知边界条件的缺点,该算法不需要给定边界约束条件,并且在迭代过程中可以实现物空间较"紧"边界约束条件的自动寻找。　　 4、利用HIO算法模拟研究了衍射图样被大强度噪声污染情况下的降噪与重建问题,包括对随机噪声、椒盐噪声以及混合噪声的降噪及重建问题,在传统降噪方法效果不佳或失效的情况下,找到了适合相干X射线衍射成像对大强度噪声降噪的有效方法。　　 5、设计并搭建了一套适合相干X射线衍射成像的实验装置,并在上海光源硬X射线微聚焦及应用光束线站(BL15U1)进行了初步实验,获得了小孔的衍射图样。