Rentgenowska mikroskopia plenoptyczna

Dostęp do publikacji jest możliwy w Archiwum UJ

W przeciwieństwie do klasycznego aparatu fotograficznego, kamera plenoptyczna rejestruje nie tylko intensywność światła padającego na piksele sensora, ale również kierunek promieni padających na sensor. W skład standardowego układu optycznego kamery plenoptycznej wchodzi soczewka główna oraz matryca mikrosoczewek ustawionych tuz nad sensorem. Tego typu konstrukcja pozwala na akwizycje wielu obrazów sceny z nieco innych perspektyw w obrębie jednej fotografii. W efekcie możliwa jest zmiana ostrości fotografii już po jej wykonaniu oraz wyznaczenie tzw. mapy głębi obrazowanej sceny. Do tej pory kamery plenoptyczne były z powodzeniem wykorzystywane dla światła widzialnego. Celem niniejszej rozprawy było zaprojektowanie i skonstruowanie pierwszego mikroskopu plenoptycznego pracującego w reżimie twardego promieniowania rentgenowskiego. W kamerach plenoptycznych dla światła widzialnego obrazy sceny są rejestrowane przy pomocy soczewek o dużych aperturach kątowych. Rentgenowskie elementy optyczne posiadają natomiast zwykle bardzo małe apertury kątowe (rzędu miliradianów), dlatego tez konstrukcja plenoptycznej kamery rentgenowskiej nie była do tej pory możliwa. Praca przedstawia rozwiązanie powyższego problemu, w którym zamiast matrycy mikrosoczewek zastosowano matryce mikrokapilar. Konstrukcje rentgenowskiego mikroskopu plenoptycznego wykonano dwuetapowo. Po pierwsze opracowano nowa geometrie obrazowania, tzw. wielowiązkowa mikroskopie rentgenowska, opisana w K.M. Sowa et al., Optica 5, 577 (2018). Zaproponowany układ optyczny składał się z lampy rentgenowskiej oraz strukturyzowanego polikapilarnego elementu optycznego, dzięki któremu otrzymano matryce około tysiąca sub-mikrometrowych wtórnych źródeł promieniowania rentgenowskiego. Powstałe w tej geometrii mikrowiązki były całkowicie zmultipleksowane w płaszczyźnie obiektu, jednocześnie oświetlały obiekt pod rożnymi katami i generowały około tysiąca obrazów obiektu w płaszczyźnie detektora. Demultipleksowanie, powiększenie i kontrast fazowy uzyskano poprzez swobodna propagacje promieniowania rentgenowskiego. W rezultacie uzyskano znaczącą poprawę stosunku sygnału do szumu w porównaniu do pojedynczej kapilary, bez utraty rozdzielczości przestrzennej. Geometria wielowiązkowa umożliwiła rejestrowanie projekcji silnie absorbujących próbek na podstawie zliczeń pojedynczych fotonów. Wydajna, praktycznie bezszumowa detekcje umożliwiło zastosowanie nowoczesnych detektorów z hybrydowymi pikselami. W przypadku słabo absorbujących próbek, metoda mikroskopii wielowiązkowej umożliwiła równoległe rejestrowanie powielonych hologramów rentgenowskich z użyciem niekoherentnego promieniowania z lampy rentgenowskiej. Wszystkie eksperymenty były jednak ograniczone do cienkich, kwazi-płaskich próbek. W drugim etapie (K.M. Sowa et al., Appl. Phys. Lett. 116, 014103 (2020)) wielowiazkowa mikroskopie rentgenowska zaadaptowano tak, aby możliwe było obrazowanie obiektów trójwymiarowych. W plenoptycznym obrazowaniu rentgenowskim wykorzystano fakt, ze w obszarze ogniska optyki polikapilarnej, wszystkie mikrowiązki oświetlają obiekt pod rożnymi katami widzenia. Mikroskop umożliwił obrazowanie plenoptyczne małych obszarów dużych próbek znajdujących się w ognisku optyki. Apertura kątowa optyki polikapilarnej, sięgająca prawie 10°, umożliwiła przeprowadzenie obrazowania z rozdzielczością głębokościowa na podstawie pojedynczej ekspozycji. Uzyskano rozdzielczość w płaszczyźnie wynosząca 0.5 μm i rozdzielczość głębokościowa na poziomie 10 μm. Trójwymiarowe obrazowanie przebiegało optymalnie w pobliżu płaszczyzny ogniskowej (±60 μm). Dla większych odstrojeń od płaszczyzny ogniskowej (±120 μm) zaobserwowano znaczące efekty tzw. odcięcia (ang. truncation effects). Dla jeszcze większych odstrojeń, formowanie obrazu przypominało formowanie obrazu w tzw. apozycyjnym oku zespolonym: tzn. każdy obszar próbki był oświetlony inna mikrowiązka. Pomimo, ze w tym reżimie utracono rozdzielczość głębokościowa, uzyskiwano dużo większe pole widzenia wynoszące nawet kilkaset mikrometrów. W rozprawie wskazano również, ze plenoptyczna mikroskopie rentgenowska można łączyć z konwencjonalnymi skanami tomograficznymi i rentgenowska spektroskopia fluorescencyjna, co umożliwiło wielomodalną analizę rentgenowska z użyciem pojedynczego rentgenowskiego elementu optycznego - soczewki polikapilarnej. W przyszłości, planowane jest wykorzystanie plenoptycznego mikroskopu rentgenowskiego na linii PolyX, która powstaje w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS.

In contrast to a conventional camera, which records only the intensity of the incoming light, a plenoptic camera additionally records directions that the light rays are travelling in space. A standard plenoptic camera consists of a main lens and a micro lens array in front of a sensor. Hence, a plenoptic camera is capable of capturing multiple images of the same scene from slightly different perspectives in a single compound image. As a result, it is possible to numerically refocus on different image planes and to estimate the depth values in the imaged scene. However, until now, plenoptic cameras have been successfully exploited only in the visible light regime. The aim of this Thesis was to design and construct a first X-ray microscope which realizes plenoptic imaging in the hard X-ray domain. Visible light plenoptic cameras take advantage of large angular apertures of lenses to capture multi-view images. Due to the fact that hard X-ray lenses have small angular apertures (at the level of milliradians), the construction of a plenoptic camera for X-rays was up to now held back by technical limitations. This Thesis presents a workaround of this problem and shows that plenoptic imaging can be extended to X-rays by using arrays of micro capillaries instead of micro lenses. The X-ray plenoptic microscope was realized in two steps. Firstly, a novel multipoint-projection X-ray imaging geometry was proposed as described in K.M. Sowa et al., Optica 5, 577 (2018). The multipoint-projection X-ray imaging was realized with an X-ray tube and a compound structured micro capillary optics that generated nearly one thousand sub-micrometer secondary X-ray sources. The generated micro beams were multiplexed at the object plane. Demultiplexing of the transmitted beams, magnification, and phase contrast were achieved by the free-space propagation. A huge improvement in the signalto-noise ratio, relative to a single capillary, was achieved without a loss in spatial resolution. Hence, X-ray projections of highly absorbing samples could be recorded with only a few photons per the detector pixel. An almost noisefree detection was accomplished by using modern hybrid pixel detectors. For weakly absorbing samples, the multipoint-projection method enabled recording, in a parallel way, replicated in-line X-ray holograms with incoherent radiation from an X-ray tube. However, all experiments were limited to thin, quasi-planar samples. In the second step (K.M. Sowa et al., Appl. Phys. Lett. 116, 014103 (2020)), the multipoint-projection geometry was extended to 3D imaging. Plenoptic X-ray imaging took advantage of the fact that in the focal spot region of the polycapillary optics all micro beams illuminate the object from different viewing angles. Hence, the constructed microscope enabled plenoptic X-ray imaging of small sub-volumes of large samples placed in the focal spot region. The angular aperture of almost 10 degrees permitted depth-resolved imaging from a single exposure with a lateral resolution of 0.5 μm and the depth resolution of ~ 10 μm. Depth resolved imaging was optimal in the vicinity of the focal plane (±60 μm). For larger defocusing distances (±120 μm) significant truncation effects could be observed. For even larger defocusing the image formation resembled an apposition compound eye, i.e. each region of the sample was illuminated by a different micro beam. Although, the depth-resolution was lost in this regime, a large field of view of several hundreds of microns could be achieved. The Thesis also demonstrates that plenoptic X-ray microscopy can be combined with conventional tomographic scans and X-ray fluorescence spectroscopy for multi-modal X-ray analysis with a single polycapillary lens. In future, the plenoptic X-ray microscope can be used at the PolyX beamline, which is constructed at SOLARIS National Synchrotron Radiation Centre.