Ein neuer Algorithmus, der Mängel in Röntgenlinsen ausgleicht, könnte Bilder von Röntgenmikroskopen viel schärfer und qualitativ hochwertiger machen als je zuvor, sagen Forscher der Universität Göttingen. Vorversuche am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg zeigten, dass der Algorithmus es ermöglicht, auch mit sehr unvollkommenen Optiken eine Auflösung von unter 10 nm und einen quantitativen Phasenkontrast zu erreichen.
Standard-Röntgenmikroskope sind zerstörungsfreie Bildgebungswerkzeuge, die in der Lage sind, Details bis zur 10-nm-Ebene mit ultraschnellen Geschwindigkeiten aufzulösen. Es gibt drei Haupttechniken. Die erste ist die Transmissions-Röntgenmikroskopie (TXM), die in den 1970er Jahren entwickelt wurde und Fresnel-Zonenplatten (FZPs) als Objektivlinsen verwendet, um die Struktur einer Probe direkt abzubilden und zu vergrößern. Die zweite Lösung ist die kohärente diffraktive Bildgebung, die entwickelt wurde, um die mit unvollständigen FZP-Linsen verbundenen Probleme zu umgehen, indem die linsenbasierte Bilderzeugung durch einen iterativen Phasenabrufalgorithmus ersetzt wird. Die dritte Technik, die Vollfeld-Röntgenmikroskopie, basiert auf Inline-Holographie und verfügt sowohl über eine hohe Auflösung als auch über ein einstellbares Sichtfeld, wodurch sie sich sehr gut für die Abbildung biologischer Proben mit schwachem Kontrast eignet.
Drei Techniken kombinieren
In der neuen Arbeit führten Forscher durch Jakob Soltau, Markus Osterhoff und Tim Salditt für Göttinger Institut für Röntgenphysik zeigte, dass durch die Kombination von Aspekten aller drei Techniken eine deutlich höhere Bildqualität und Schärfe erreicht werden kann. Dazu verwendeten sie eine mehrschichtige Zonenplatte (MZP) als Objektivlinse, um eine hohe Bildauflösung zu erreichen, gekoppelt mit einem quantitativen iterativen Phasenabrufschema, um zu rekonstruieren, wie Röntgenstrahlen durch die Probe dringen.
Die MZP-Linse besteht aus fein strukturierten Schichten von wenigen Atomlagen Dicke, die aus konzentrischen Ringen auf einem Nanodraht abgeschieden werden. Die Forscher platzierten es in einem einstellbaren Abstand zwischen der abzubildenden Probe und einer Röntgenkamera im extrem hellen und fokussierten Röntgenstrahl bei DESY. Die Signale, die auf die Kamera treffen, gaben Aufschluss über die Struktur der Probe – auch wenn diese wenig oder keine Röntgenstrahlung absorbierte. „Es blieb nur noch, einen geeigneten Algorithmus zu finden, um die Informationen zu entschlüsseln und in ein scharfes Bild zu rekonstruieren“, erklären Soltau und Kollegen. „Damit diese Lösung funktionierte, war es entscheidend, das Objektiv selbst, das alles andere als perfekt war, genau zu vermessen und vollständig auf die Annahme zu verzichten, dass es ideal sein könnte.“
Röntgenmikroskopie schärft
„Erst durch die Kombination von Objektiven und numerischer Bildrekonstruktion konnten wir die hohe Bildqualität erreichen“, so Soltau weiter. „Dazu haben wir die sogenannte MZP-Transferfunktion genutzt, mit der wir unter anderem auf perfekt ausgerichtete, aberrations- und verzerrungsfreie Optiken verzichten können.“
Die Forscher haben ihre Technik „Reporter-basierte Bildgebung“ genannt, weil sie im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen, die eine Objektivlinse verwenden, um ein schärferes Bild der Probe zu erhalten, das MZP verwenden, um das Lichtfeld hinter der Probe zu „melden“ und nicht versucht, ein scharfes Bild in der Ebene des Detektors zu erhalten.
Alle Einzelheiten der Forschung sind in veröffentlicht Physical Review Letters.
