[論文レビュー] X-ray optics and beam characterization using random modulation: Theory

Sébastien Bérujon, Ruxandra Cojocaru+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2019

Advanced X-ray Imaging Techniques被引用数 3

ひとこと要約

本理論的研究では、X線近場スパチュラに基づく位相センシング手法の一般化されたフレームワークを提示し、X線光学素子の高感度で波長に合わせたメトロロジーを可能にする。部分的コherentlyなX線ビームによるランダムな変調を活用することで、サブナノメートル級の波フロント感度とマイクロメートルスケールの空間分解能を達成し、実際の稼働条件下での光学素子の正確な特徴化を可能にする。

ABSTRACT

X-ray near-field speckle-based phase-sensing approaches provide efficient means to characterise optical elements. Here, we present a theoretical review of several of these speckle methods in the frame of optical characterisation and provide a generalization of the concept. As we also demonstrate experimentally in another paper, the methods theoretically developed here can be applied with different beams and optics and within a variety of situations where at-wavelength metrology is desired. By understanding the differences between the various processing methods, it is possible to find and implement the best suited approach for each metrology scenario.

研究の動機と目的

• X線スパチュラベースの位相センシング技術を用いた光学メトロロジーにおける一般化された理論的モデルの構築。
• 実空間におけるさまざまな処理方式の同定と比較を行い、波長に合わせたメトロロジーへの最適な応用を検討。
• ランダム変調を用いた高感度ビームおよび光学素子の特徴化の理論的基盤を確立。
• ナノラジアン級の角度感度とマイクロメートルスケールの空間分解能を備えた、オンラインかつイン・サイトでのX線光学素子のメトロロジーを実現。
• シンクロトロンおよびXFELを含む多様なビームラインおよび光学系へのこれらの手法の実装を支援。

提案手法

• 部分的コherentなX線ビームとランダム位相変調を用いたスパチュラベースの位相センシングの理論的導出。
• スパチュラ強度パターンから波フロントおよび光学素子の誤差を抽出するための、さまざまな実空間処理方式の分析。
• 自己相関および強度統計を用いて位相勾配および波フロント歪みを回復。
• 異なるビームタイプ、光学素子、実験設定に適用可能な手法の一般化。
• コherency特性、空間分解能、SNRの観点からの感度限界のモデリング。
• ナノラジアン未満の角度感度（数十ナノラジアン未満）およびマイクロメートルスケールの空間分解能の理論的上限の導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてスパチュラベースの位相センシングを、さまざまなX線ビームおよび光学素子構成に一般化できるか？
• RQ2 スパチュラメトロロジーにおける実空間処理方式の根本的な違いは何か？ そしてそれらは感度と分解能にどのように影響するか？
• RQ3 スパチュラベースの波長に合わせたメトロロジーの感度および空間分解能を定義する理論的限界は何か？
• RQ4 部分的コherencyによるランダム変調は、X線光学素子における高精度な波フロントセンシングをどのように可能にするか？
• RQ5 X線光学素子のオンラインかつイン・サイトメトロロジーに最適な実装戦略は何か？

主な発見

• スパチュラベースの手法は、数十ナノラジアン未満の角度感度を達成し、X線光学素子のサブナノメートル級の表面誤差を検出可能である。
• 理論的フレームワークはマイクロメートルスケールの空間分解能をサポートしており、高精度な局所的特徴化が可能な大規模光学素子の特徴化に適している。
• 異なる実空間処理方式は、感度、ノイズ耐性、計算複雑性の面で明確なトレードオフを示し、特定のメトロロジー状況に応じた最適選択が可能である。
• 本手法は反射型および屈折型X線光学素子、高数値孔径系およびコンパoundレンズを含む、あらゆるタイプに適用可能である。
• 本手法は、実際の稼働条件下でのオンラインかつイン・サイトメトロロジーを可能にし、オフライン測定技術の限界を克服する。
• 理論的分析により、シンクロトロンおよびラボラトリX線光源の両方で使用可能であることが確認され、広範な実装が可能である。