Новый алгоритм, который компенсирует недостатки рентгеновских линз, может сделать изображения с рентгеновских микроскопов намного более четкими и качественными, чем когда-либо прежде, говорят исследователи из Геттингенского университета в Германии. Предварительные испытания, проведенные на немецком электронном синхротроне (DESY) в Гамбурге, показали, что алгоритм позволяет достичь разрешения менее 10 нм и количественного фазового контраста даже при весьма несовершенной оптике.
Стандартные рентгеновские микроскопы — это неразрушающие инструменты визуализации, способные разрешать детали размером до 10 нм на сверхвысоких скоростях. Есть три основных техники. Первым из них является просвечивающая рентгеновская микроскопия (TXM), которая была разработана в 1970-х годах и использует пластины зоны Френеля (FZP) в качестве объективов для прямого изображения и увеличения структуры образца. Второй — когерентная дифракционная визуализация, которая была разработана, чтобы обойти проблемы, связанные с несовершенными линзами FZP, заменив формирование изображения на основе линз итеративным алгоритмом восстановления фазы. Третий метод, полнопольная рентгеновская микроскопия, основан на встроенной голографии и имеет как высокое разрешение, так и регулируемое поле зрения, что делает его очень подходящим для визуализации биологических образцов со слабым контрастом.
Сочетание трех техник
В новой работе исследователи под руководством Якоб Зольтау, Маркус Остерхофф и Тим Салдитт от Геттингенский институт рентгеновской физики показали, что, комбинируя аспекты всех трех методов, можно добиться гораздо более высокого качества и резкости изображения. Для этого они использовали многослойную зонную пластину (MZP) в качестве линзы объектива для достижения высокого разрешения изображения в сочетании с количественной итеративной схемой восстановления фазы для восстановления того, как рентгеновские лучи проходят через образец.
Линза MZP состоит из тонко структурированных слоев толщиной в несколько атомных слоев, нанесенных из концентрических колец на нанопроволоку. Исследователи поместили его на регулируемом расстоянии между отображаемым образцом и рентгеновской камерой в чрезвычайно ярком и сфокусированном рентгеновском луче в DESY. Сигналы, которые попадали в камеру, давали информацию о структуре образца, даже если он поглощал мало или совсем не поглощал рентгеновское излучение. «Все, что оставалось, — это найти подходящий алгоритм для декодирования информации и преобразования ее в четкое изображение», — объясняют Солтау и его коллеги. «Чтобы это решение сработало, было важно точно измерить саму линзу, которая была далека от совершенства, и полностью отказаться от предположения, что она может быть идеальной».
Рентгеновская микроскопия обостряется
«Только благодаря сочетанию линз и численной реконструкции изображения мы смогли добиться высокого качества изображения, — продолжает Зольтау. «С этой целью мы использовали так называемую передаточную функцию MZP, которая позволяет нам избавиться от идеально выровненной оптики без аберраций и искажений, среди прочих ограничений».
Исследователи назвали свой метод «визуализацией на основе репортера», потому что, в отличие от традиционных подходов, которые используют объектив для получения более четкого изображения образца, они используют MZP для «сообщения» о световом поле за образцом, а не пытаясь получить четкое изображение в плоскости детектора.
Полная информация об исследовании опубликована в Physical Review Letters,.
