En ny algoritme som kompenserer for mangler ved røntgenlinser kan gjøre bilder fra røntgenmikroskoper mye skarpere og høyere i kvalitet enn noen gang før, sier forskere ved universitetet i Göttingen, Tyskland. Foreløpige tester utført ved den tyske elektronsynkrotronen (DESY) i Hamburg viste at algoritmen gjør det mulig å oppnå sub-10 nm oppløsning og kvantitativ fasekontrast selv med svært ufullkommen optikk.
Standard røntgenmikroskoper er ikke-destruktive bildeverktøy som er i stand til å løse detaljer ned til 10 nm nivå med ultraraske hastigheter. Det er tre hovedteknikker. Den første er transmisjonsrøntgenmikroskopi (TXM), som ble utviklet på 1970-tallet og som bruker Fresnel-soneplater (FZPs) som objektivlinser for å avbilde og forstørre strukturen til en prøve direkte. Den andre er koherent diffraktiv avbildning, som ble utviklet for å omgå problemene forbundet med ufullkomne FZP-objektiver ved å erstatte linsebasert bildedannelse med en iterativ fasehentingsalgoritme. Den tredje teknikken, full-field røntgenmikroskopi, er basert på inline holografi og har både høy oppløsning og et justerbart synsfelt, noe som gjør den veldig god for å avbilde biologiske prøver med svak kontrast.
Kombinere tre teknikker
I det nye arbeidet har forskere ledet av Jakob Soltau, Markus Osterhoff og Tim Salditt fra Göttingens institutt for røntgenfysikk viste at ved å kombinere aspekter ved alle tre teknikkene, er det mulig å oppnå mye høyere bildekvalitet og skarphet. For å gjøre dette brukte de en flerlags soneplate (MZP) som en objektivlinse for å oppnå høy bildeoppløsning, kombinert med et kvantitativt iterativt faseinnhentingsskjema for å rekonstruere hvordan røntgenstråler overføres gjennom prøven.
MZP-linsen er laget av fint strukturerte lag noen få atomlag tykke avsatt fra konsentriske ringer på en nanotråd. Forskerne plasserte den i en justerbar avstand mellom prøven som avbildes og et røntgenkamera i den ekstremt lyse og fokuserte røntgenstrålen på DESY. Signalene som traff kameraet ga informasjon om strukturen til prøven – selv om den absorberte lite eller ingen røntgenstråling. "Alt som gjensto var å finne en passende algoritme for å dekode informasjonen og rekonstruere den til et skarpt bilde," forklarer Soltau og kolleger. "For at denne løsningen skulle fungere, var det avgjørende å nøyaktig måle selve linsen, som var langt fra perfekt, og å helt avstå fra antagelsen om at den kunne være ideell."
Røntgenmikroskopi skjerper seg
"Det var bare gjennom kombinasjonen av linser og numerisk bilderekonstruksjon at vi kunne oppnå den høye bildekvaliteten," fortsetter Soltau. "For dette formål brukte vi den såkalte MZP-overføringsfunksjonen, som lar oss gjøre unna perfekt justert, aberrasjons- og forvrengningsfri optikk, blant andre begrensninger."
Forskerne har kalt teknikken sin "reporter-basert bildebehandling" fordi, i motsetning til konvensjonelle tilnærminger som bruker en objektivlinse for å få et skarpere bilde av prøven, bruker de MZP til å "rapportere" lysfeltet bak prøven, i stedet for prøver å få et skarpt bilde i detektorplanet.
Alle detaljer om forskningen er publisert i Physical Review Letters.
