En ny algoritme, der kompenserer for mangler ved røntgenlinser, kan gøre billeder fra røntgenmikroskoper meget skarpere og højere i kvalitet end nogensinde før, siger forskere ved universitetet i Göttingen, Tyskland. Foreløbige test udført på den tyske elektronsynkrotron (DESY) i Hamborg viste, at algoritmen gør det muligt at opnå en opløsning på under 10 nm og kvantitativ fasekontrast selv med meget ufuldkommen optik.
Standard røntgenmikroskoper er ikke-destruktive billeddannelsesværktøjer, der er i stand til at opløse detaljer ned til 10 nm-niveauet ved ultrahurtige hastigheder. Der er tre hovedteknikker. Den første er transmissionsrøntgenmikroskopi (TXM), som blev udviklet i 1970'erne, og som bruger Fresnel-zoneplader (FZP'er) som objektive linser til direkte at afbilde og forstørre strukturen af en prøve. Den anden er kohærent diffraktiv billeddannelse, som blev udviklet for at omgå problemerne forbundet med uperfekte FZP-linser ved at erstatte linsebaseret billeddannelse med en iterativ fasehentningsalgoritme. Den tredje teknik, fuldfelts røntgenmikroskopi, er baseret på inline holografi og har både høj opløsning og et justerbart synsfelt, hvilket gør den meget god til billeddannelse af biologiske prøver med svag kontrast.
Ved at kombinere tre teknikker
I det nye arbejde har forskere ledet af Jakob Soltau, Markus Osterhoff og Tim Salditt fra Göttingens Institut for røntgenfysik viste, at ved at kombinere aspekter af alle tre teknikker, er det muligt at opnå meget højere billedkvalitet og skarphed. For at gøre dette brugte de en flerlags zoneplade (MZP) som en objektivlinse for at opnå høj billedopløsning, kombineret med et kvantitativt iterativt fasehentningsskema for at rekonstruere, hvordan røntgenstråler transmitteres gennem prøven.
MZP-linsen er lavet af fint strukturerede lag nogle få atomlag tykke aflejret fra koncentriske ringe på en nanotråd. Forskerne placerede den i en justerbar afstand mellem prøven, der afbildes, og et røntgenkamera i den ekstremt lyse og fokuserede røntgenstråle hos DESY. De signaler, der ramte kameraet, gav information om strukturen af prøven - også selvom den absorberede lidt eller ingen røntgenstråling. "Alt, der var tilbage, var at finde en passende algoritme til at afkode informationen og rekonstruere den til et skarpt billede," forklarer Soltau og kolleger. "For at denne løsning kunne fungere, var det afgørende at måle selve linsen præcist, som var langt fra perfekt, og helt at undvære antagelsen om, at den kunne være ideel."
Røntgenmikroskopi skærper op
"Det var kun gennem kombinationen af linser og numerisk billedrekonstruktion, at vi kunne opnå den høje billedkvalitet," fortsætter Soltau. "Til dette formål brugte vi den såkaldte MZP-overførselsfunktion, som giver os mulighed for at gøre op med perfekt justeret, aberrations- og forvrængningsfri optik, blandt andre begrænsninger."
Forskerne har døbt deres teknik "reporter-baseret billeddannelse", fordi de i modsætning til konventionelle tilgange, der gør brug af en objektivlinse til at opnå et skarpere billede af prøven, bruger MZP til at "rapportere" lysfeltet bag prøven, snarere end forsøger at opnå et skarpt billede i detektorens plan.
Alle detaljer om forskningen er offentliggjort i Physical Review Letters.
