Een nieuw algoritme dat tekortkomingen in röntgenlenzen compenseert, zou beelden van röntgenmicroscopen veel scherper en van hogere kwaliteit kunnen maken dan ooit tevoren, zeggen onderzoekers van de Universiteit van Göttingen, Duitsland. Voorlopige tests uitgevoerd bij het Duitse Electron Synchrotron (DESY) in Hamburg hebben aangetoond dat het algoritme het mogelijk maakt om een resolutie van minder dan 10 nm en een kwantitatief fasecontrast te bereiken, zelfs met zeer imperfecte optica.
Standaard röntgenmicroscopen zijn niet-destructieve beeldvormingshulpmiddelen die details tot op 10 nm-niveau met ultrasnelle snelheden kunnen oplossen. Er zijn drie hoofdtechnieken. De eerste is transmissie-röntgenmicroscopie (TXM), die in de jaren zeventig werd ontwikkeld en die Fresnel-zoneplaten (FZP's) gebruikt als objectieflenzen om de structuur van een monster direct in beeld te brengen en te vergroten. De tweede is coherente diffractieve beeldvorming, die is ontwikkeld om de problemen die gepaard gaan met imperfecte FZP-lenzen te omzeilen door lensgebaseerde beeldvorming te vervangen door een iteratief fase-ophaalalgoritme. De derde techniek, full-field röntgenmicroscopie, is gebaseerd op inline holografie en heeft zowel een hoge resolutie als een instelbaar gezichtsveld, waardoor deze zeer goed geschikt is voor het afbeelden van biologische monsters met een zwak contrast.
Drie technieken combineren
In het nieuwe werk, onderzoekers onder leiding van Jakob Soltau, Markus Osterhoff en Tim Salditt oppompen van Göttingen's Instituut voor Röntgenfysica toonde aan dat door het combineren van aspecten van alle drie de technieken het mogelijk is om een veel hogere beeldkwaliteit en scherpte te bereiken. Om dit te doen, gebruikten ze een meerlaagse zoneplaat (MZP) als objectieflens om een hoge beeldresolutie te bereiken, gekoppeld aan een kwantitatief iteratief fase-ophaalschema om te reconstrueren hoe röntgenstralen door het monster worden verzonden.
De MZP-lens is gemaakt van fijn gestructureerde lagen van enkele atomaire lagen dik, afgezet vanuit concentrische ringen op een nanodraad. De onderzoekers plaatsten het op een instelbare afstand tussen het monster waarvan een afbeelding werd gemaakt en een röntgencamera in de extreem heldere en gerichte röntgenstraal bij DESY. De signalen die de camera raakten, gaven informatie over de structuur van het monster – zelfs als het weinig of geen röntgenstraling absorbeerde. “Het enige dat overbleef was het vinden van een geschikt algoritme om de informatie te decoderen en te reconstrueren tot een scherp beeld”, leggen Soltau en collega’s uit. “Om deze oplossing te laten werken, was het van cruciaal belang om de lens zelf nauwkeurig te meten, die verre van perfect was, en om volledig af te zien van de veronderstelling dat deze ideaal zou kunnen zijn.”
Röntgenmicroscopie wordt scherper
“Alleen door de combinatie van lenzen en numerieke beeldreconstructie konden we de hoge beeldkwaliteit bereiken”, vervolgt Soltau. “Daartoe hebben we de zogenaamde MZP-overdrachtsfunctie gebruikt, waarmee we onder meer perfect uitgelijnde, aberratie- en vervormingsvrije optica kunnen afschaffen.”
De onderzoekers hebben hun techniek ‘reporter-based imaging’ genoemd omdat ze, in tegenstelling tot conventionele benaderingen die gebruik maken van een objectieflens om een scherper beeld van het monster te verkrijgen, de MZP gebruiken om het lichtveld achter het monster te ‘rapporteren’, in plaats van proberen een scherp beeld te verkrijgen in het vlak van de detector.
Volledige details van het onderzoek zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.
