Fourier-Ptychografie: Virtuelle Linse verbessert Röntgenmikroskopie

Röntgenstrahlen ermöglichen einzigartige Einblicke in das Innere von Materialien, Gewebe und Zellen. Forscher des Paul-Scherrer-Instituts PSI haben eine neue Methode entwickelt, dank der die Röntgenbilder von Materialien künftig noch besser werden.

Klaus Wakonig und Ana Diaz haben gemeinsam mit weiteren PSI-Forschenden erstmalig das Prinzip der Fourier-Ptychografie auf die Röntgenmikroskopie übertragen. Bildquelle: © Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Die PSI-Forscher Klaus Wakonig und Ana Diaz haben erstmalig das Prinzip der Fourier-Ptychografie auf die Röntgenmikroskopie übertragen.

Mit Röntgenmikroskopen blicken Forscher Computerchips, Katalysatoren, Knochenstückchen oder Hirngewebe. Die kurze Wellenlänge des Röntgenlichts macht Details sichtbar, die eine Million Mal kleiner als ein Sandkorn sind – also Strukturen im Nanometerbereich (millionstel Millimeter). Wie bei einem normalen Mikroskop trifft das Licht auf die Probe und wird von ihr abgelenkt. Eine Linse sammelt dieses gestreute Licht und erzeugt ein vergrößertes Bild auf der Kamera. Allerdings streuen winzige Strukturen das Licht in sehr großen Winkeln. Will man sie im Bild auflösen, braucht es entsprechend eine große Linse.

»Doch es ist äußerst schwierig, solch große Linsen herzustellen«, sagt Klaus Wakonig, Physiker am PSI. »Im sichtbaren Bereich gibt es Linsen, die sehr große Streuwinkel einfangen können. Im Röntgenbereich hingegen ist dies aufgrund der schwachen Wechselwirkung mit dem Material der Linse komplizierter. Infolgedessen können meist nur sehr kleine Winkel eingefangen werden, oder die Linsen sind sehr ineffizient.«

Die neue Methode umgeht dieses Problem. »Das Ergebnis ist so, als ob wir mit einer großen Linse gemessen hätten«, erklärt der Forscher. Das PSI-Team verwendet eine kleine, aber effiziente Linse, wie sie üblicherweise in der Röntgenmikroskopie eingesetzt wird, und verschiebt diese über einen Bereich, den eine ideale Linse abdecken würde. Somit entsteht virtuell eine große Linse. »In der Praxis gehen wir mit der Linse zu verschiedenen Punkten und nehmen dort jeweils ein Bild auf«, erklärt Wakonig. »Dann verwenden wir Computeralgorithmen, um alle Bilder zu verbinden und so eine hochaufgelöste Aufnahme zu erzeugen.«

Vom sichtbaren Licht zur Röntgenstrahlung

Normalerweise vermeidet man, Linsen in Instrumenten von der optischen Achse weg zu bewegen, da dies die Abbildung verfälschen kann. Doch da die Forschenden die genaue Position der Linse kennen und viele nah beieinander liegende Punkte beleuchten, können sie rekonstruieren, wie das Licht gestreut wurde und wie die Probe ausgesehen hat. Das Verfahren heißt Fourier-Ptychografie und wird seit 2013 für die Mikroskopie im sichtbaren Bereich verwendet. In ihren Experimenten am PSI konnten die Forscher nun erstmals dieses Prinzip auf die Röntgenmikroskopie übertragen. »Soweit wir wissen, wurde bisher keine erfolgreiche Umsetzung der Fourier-Ptychografie mit Röntgenlicht gemeldet«, so die Forscher.

Die neue Methode liefert nicht nur eine bessere Auflösung, sondern auch zwei sich ergänzende Bildinformationen. Einerseits wird wie bei einer Handy-Kamera gemessen, wie viel Licht vom abzubildenden Objekt absorbiert wird.