[論文レビュー] Ultra-broadband extreme-ultraviolet lensless imaging of extended complex structures

Stefan Witte, Vasco T. Tenner+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2013

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 39被引用数 63

ひとこと要約

本論文は、2つの時間遅延付きのコherentパルスを用いるレンズレス像技術を紹介し、スペクトル的・サンプル支援制約なしに、複雑で広がりのある対象物の超広帯域極端紫外線像を得ることを可能にする。パルス遅延をスキャンし、スペクトル分解されたフレネル回折パターンに反復的位相再構成アルゴリズムを適用することで、オクターブ帯域にわたる回折限界解像度が達成され、テーブルトップ光源を用いた可視光および極端紫外線領域で実証された。

ABSTRACT

Lensless imaging is an elegant approach to high-resolution microscopy, which is rapidly gaining popularity in applications where imaging optics are problematic. However, current lensless imaging methods require objects to be placed within a well-defined support structure, while the light source needs to have a narrow, stable, and accurately known spectrum. Here we introduce a general approach to lensless imaging without spectral bandwidth limitations or sample requirements. We use two time-delayed coherent light pulses, and show that scanning the pulse-to-pulse time delay allows the reconstruction of diffraction-limited images for all spectral components in the pulse. Moreover, an iterative phase retrieval algorithm is introduced, which uses these spectrally resolved Fresnel diffraction patterns to obtain high-resolution images of complex extended objects without any support requirements. We demonstrate this two-pulse imaging method with octave-spanning visible light sources (in both transmission and reflection geometries), and with broadband extreme-ultraviolet radiation from a high-harmonic source. This demonstrates that our approach enables effective use of low-flux ultra-broadband sources, such as table-top soft-X-ray systems, for high-resolution imaging.

研究の動機と目的

• レンズレス像技術におけるスペクトル的およびサンプル支援制約を克服すること。
• テーブルトップ高調波生成系のような超広帯域・低強度光源を用いた高解像度像技術を実現すること。
• 事前に定義された物体支援や狭帯域光源を必要としない手法を開発すること。
• 透過および反射幾何配置において、広がりのある複雑な対象物への適用を可能とすること。
• 高解像度顕微鏡に向けた極端紫外線放射の効果的利用を可能とすること。

提案手法

• 本手法は、スペクトル分解されたフレネル回折パターンを生成するために、2つの時間遅延付きのコherent光パルスを用いる。
• パルス間の時間遅延をスキャンすることで、光源の全スペクトル帯域にわたる回折データを取得できる。
• 反復的位相再構成アルゴリズムにより、スペクトル分解された回折パターンから高解像度画像を再構成する。
• 本手法は物体支援に依存しないため、事前に制約なしに複雑で広がりのある構造物の像を得ることができる。
• 本手法は、オクターブ帯域の可視光および高調波光源からの広帯域極端紫外線放射を用いて実証された。
• 本手法は透過および反射幾何配置の両方で適用可能であり、実験の柔軟性を高める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 狭帯域または安定したスペクトルを必要とせずに、レンズレス像技術を超広帯域光源に拡張可能か？
• RQ2 事前に定義された物体支援なしに、複雑で広がりのある対象物の高解像度像を得られるか？
• RQ3 時間遅延付きコherentパルスが、位相再構成に適したスペクトル分解された回折パターンの取得を可能にするか？
• RQ4 小型・低出力の光源からの極端紫外線放射に対しても、本手法は有効か？
• RQ5 本手法は透過および反射像技術の両方で適用可能か？

主な発見

• 本手法は、可視光および極端紫外線領域の両方で、オクターブ帯域にわたる回折限界解像度を達成した。
• 本手法は、物体支援制約なしに、複雑で広がりのある対象物の高解像度画像を効果的に再構成した。
• 時間遅延パルスを用いてスペクトル分解されたフレネル回折パターンを取得し、全スペクトル利用が可能になった。
• 反復的位相再構成アルゴリズムは、高調波生成系のような広帯域・低強度光源からの画像再構成を効果的に実行した。
• 本手法は透過および反射幾何配置の両方で実験的に実証され、その頑健さと多様性が確認された。
• 本手法により、テーブルトップ極端紫外線光源の高解像度レンズレス像技術への効果的利用が可能になった。