Neues holografisches Verfahren nutzt "bildstabilisierte Röntgenkamera"

13. Jänner 2014, 11:48
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"Schnappschüsse" von dynamischen Prozessen mit bisher unerreichter Auflösung möglich

Deutsche Wissenschafter haben ein neues Röntgen-Holografie-Verfahren entwickelt, das Aufnahmen von dynamischen Prozessen mit bisher unerreichter Auflösung in Aussicht stellt. Die Effizienz der neuartigen Methode beruht auf einer fokussierenden Röntgenoptik, die mit dem abzubildenden Objekt fest verbunden ist. Dadurch liefert das Verfahren zwar zunächst eine unscharfe Abbildung, diese kann im Nachhinein jedoch fokussiert werden. Gleichzeitig löst dieser Trick elegant das Problem des Verwackelns, das auf Nanometerskala eine enorme Rolle spielt.

"So wie ein lichtstarkes Objektiv am Fotoapparat auch bei schwacher Beleuchtung noch scharfe Bilder ermöglicht, ermöglicht es auch hier ein optisches Element, das Röntgenlicht effizienter zu nutzen. Gleichzeitig haben wir diese Röntgenlinse fest mit dem abzubildenden Objekt gekoppelt, so dass Vibrationen keine Rolle mehr spielen und das Bild stabilisiert wird," erklärt Stefan Eisebitt von der TU Berlin. Kontrastarme oder sich bewegende Nanoobjekte können damit deutlich besser abgebildet werden.

Hologramm aus der Überlagerung zweier Lichtwellen

Für die Röntgen-Holografie wird kohärentes Licht benötigt, bei dem die elektromagnetischen Wellen im Gleichtakt schwingen. Solches Licht produzieren Laser oder Synchrotronquellen wie BESSY II. Bei dem verwendeten holografischen Verfahren fällt ein Teil des Röntgenlichts auf das abzubildende Objekt und ein weiterer Teil durchdringt normalerweise eine Lochblende, die sich seitlich neben dem Objekt befindet: dies ist die Referenzwelle. Durch die Überlagerung beider Wellen entsteht ein Hologramm, welches von einem Detektor aufgezeichnet wird.

Eine Abbildung des beleuchteten Objekts wird dann aus dem Hologramm am Computer rekonstruiert. Doch die Lochblende besitzt einen Nachteil: Um eine scharfe Abbildung zu ermöglichen, muss sie sehr klein sein, lässt dann jedoch zu wenig Licht hindurch, um auch bei sehr kontrastarmen Objekten ein gutes Bild zu erzeugen – ein Dilemma.

Mehr Licht durch Fresnel-Zonenplatte

Eine Lösung fanden die Physiker um Eisebitt mit einer speziellen Optik: einer Fresnel-Zonenplatte. Diese wird – als Ersatz für die Lochblende – auf der Objektebene selbst platziert. Dadurch gelingt es, die Referenzwelle deutlich zu verstärken. Allerdings liegt der Fokus der Optik (der einer idealen Punkt-förmigen Lochblende entspräche) eben nicht auf der Objektebene, so dass die Abbildung unscharf wird. Im Gegensatz zu einer Fotografie lässt sich jedoch diese Unschärfe aus einem Hologramm jedoch rechnerisch präzise korrigieren. Durch die effizientere Optik können Belichtungszeiten drastisch reduziert werden. So eignet sich die Methode nun besser um Schnappschüsse von ultraschnellen Prozessen zu ermöglichen.

Gecko-Umriss als Testobjekt

Jan Geilhufe hat diese Idee ausgearbeitet und umgesetzt, und er war es auch, der das Bild des Geckos als filigranes Testobjekt beigesteuert hat. Dessen Umriss wurde zehntausendfach verkleinert in eine Goldfolie einstrukturiert. "Uns war es wichtig, ein originelles Testobjekt zu finden um zu zeigen wie gut die Methode funktioniert", sagt Geilhufe. Die Muschel im Zentrum des Testobjekts zeigt dabei einen Ausschnitt aus einem sogenannten Siemensstern, einer Struktur zur Auflösungsbestimmung. Ähnlich wie am Schwanz des Geckos kann man an den zulaufenden Strahlen des Siemenssterns messen, wie gut unterschiedliche Strukturbreiten im Bild dargestellt werden. Das ganze Testobjekt hat mit sechs Mikrometern Durchmesser etwa die Größe eines roten Blutkörperchens. Die kleinsten noch aufgelösten Strukturen haben eine Breite von gerade einmal 46 Nanometern. (red, derStandard.at, 13.1.2014)

  • Als Testobjekte nutzten die Forscher den Umriss eines Geckos, der 10.000-fach verkleinert in eine Goldfolie einstrukturiert wurde und einen Ausschnitt aus dem sogenannten "Siemensstern", der hier wie eine Muschel aussieht.
    foto: j. geilhufe/hzb

    Als Testobjekte nutzten die Forscher den Umriss eines Geckos, der 10.000-fach verkleinert in eine Goldfolie einstrukturiert wurde und einen Ausschnitt aus dem sogenannten "Siemensstern", der hier wie eine Muschel aussieht.

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