Новий алгоритм, який компенсує недоліки рентгенівських лінз, може зробити зображення з рентгенівських мікроскопів набагато чіткішими та якіснішими, ніж будь-коли раніше, кажуть дослідники з Університету Геттінгена, Німеччина. Попередні випробування, проведені на німецькому електронному синхротроні (DESY) у Гамбурзі, показали, що алгоритм дозволяє досягти роздільної здатності нижче 10 нм і кількісного фазового контрасту навіть із дуже недосконалою оптикою.
Стандартні рентгенівські мікроскопи — це інструменти неруйнівної обробки зображень, здатні розрізняти деталі до рівня 10 нм на надвисоких швидкостях. Є три основні техніки. Перша — трансмісійна рентгенівська мікроскопія (TXM), яка була розроблена в 1970-х роках і використовує зонні пластини Френеля (FZP) як об’єктиви для прямого зображення та збільшення структури зразка. Другий – це когерентне дифракційне зображення, яке було розроблено, щоб уникнути проблем, пов’язаних із недосконалими лінзами FZP, шляхом заміни формування зображення на основі лінз ітеративним алгоритмом відновлення фази. Третій метод, повнопольна рентгенівська мікроскопія, заснований на вбудованій голографії та має як високу роздільну здатність, так і регульоване поле зору, що робить його дуже хорошим для зображення біологічних зразків зі слабким контрастом.
Поєднання трьох технік
У новій роботі дослідники під керівництвом Якоб Солтау, Маркус Остерхофф і Тім Солдітт від Геттінгенський інститут рентгенівської фізики показали, що, поєднуючи аспекти всіх трьох методик, можна досягти набагато вищої якості та чіткості зображення. Для цього вони використовували багатошарову зонну пластину (MZP) як лінзу об’єктива для досягнення високої роздільної здатності зображення в поєднанні з кількісною ітеративною схемою відновлення фази для реконструкції того, як рентгенівські промені проходять через зразок.
Лінза MZP складається з тонко структурованих шарів товщиною в кілька атомних шарів, нанесених з концентричних кілець на нанодрот. Дослідники розташували його на регульованій відстані між зразком, що знімається, та рентгенівською камерою в надзвичайно яскравому та сфокусованому рентгенівському промені DESY. Сигнали, які потрапляли на камеру, надавали інформацію про структуру зразка, навіть якщо він поглинав мало або зовсім не поглинав рентгенівське випромінювання. «Залишилося лише знайти відповідний алгоритм для декодування інформації та реконструкції її в чітке зображення», — пояснюють Солтау та його колеги. «Щоб це рішення спрацювало, було вкрай важливо точно виміряти саму лінзу, яка була далеко не ідеальною, і повністю відмовитися від припущення, що вона може бути ідеальною».
Рентгенівська мікроскопія загострюється
«Тільки завдяки поєднанню лінз і чисельної реконструкції зображення ми змогли досягти високої якості зображення», — продовжує Солтау. «З цією метою ми використали так звану функцію передачі MZP, яка дозволяє нам позбутися ідеально вирівняної оптики без аберацій та спотворень, серед інших обмежень».
Дослідники назвали свою техніку «зображення на основі репортерів», тому що, на відміну від звичайних підходів, які використовують об’єктив для отримання чіткішого зображення зразка, вони використовують MZP для «повідомлення» світлового поля за зразком, а не намагаючись отримати чітке зображення в площині детектора.
Повні деталі дослідження опубліковані в Physical Review Letters,.
