Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4329
Main Title: High resolution soft X-ray Fourier transform holography
Translated Title: Hochauflösende Fourier Transformationsholografie mit weichen Röntgenstrahlen
Author(s): Geilhufe, Jan
Advisor(s): Eisebitt, Stefan
Referee(s): Eisebitt, Stefan
Wilhein, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Fourier-Transformationsholographie ist eine linsenlose Abbildungsmethode, die sich ausgezeichnet für Experimente mit kohärenten Röntgenstrahlen eignet. Eine gebräuchliche Implementierung von Fourier-Transformationsholographie für kohärente Röntgenstrahlung (FTH) baut auf einem integrierten Maskendesign auf. Dabei maskiert ein absorbierender Metallfilm die Objektebene. Ein kleines Pinhole in dieser Maske dient als Quelle für den Referenzstrahl. Das Bildfeld ist durch eine Objektapertur definiert, die auf der Maske neben dem Referenzpinhole integriert wird. Das Hologramm entsteht durch Interferenz zwischen Objekt- und Referenzwelle und wird durch einen Detektor im Fernfeld aufgenommen. Aufgrund dieses integrierten Maskendesigns reagiert FTH außerordentlich tolerant auf Vibrationen und Verschiebungen der Probe relativ zum Strahl. Ein Nachteil dieser Konfiguration ist jedoch, dass die Größe des Referenzpinholes die Photoneneffizienz limitiert. Kleine Referenzdurchmesser verbessern einerseits die Auflösung, schwächen jedoch auch das Referenzsignal und verschlechtern dadurch den Bildkontrast in der Rekonstruktion. Die Wahl der Referenzlochgröße erfolgt daher oftmals als Kompromiss indem die gewünschten Auflösung gegen die erforderlichen Photoneneffizienz abgewogen wird. Im ersten Teil dieser Arbeit geht es um die Charakterisierung von FTH Systemen mit Pinholereferenzen. Dabei wird die theoretisch mögliche Abbildungsleistung in Abhängigkeit von verschieden FTH Designparametern diskutiert. Mit den Erkenntnissen aus dieser Diskussion wird ein Ansatz zur Bestimmung einer idealen Referenzlochgröße für FTH Experimente abgeleitet. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Teils der Arbeit ist die Charakterisierung von für bestimmte FTH Konfigurationen typische Bildartefakte sowie deren Beseitigung. Abgesehen von der Beseitigung der Bildartefakte, ermöglichen zwei der vorgestellten Strategien dabei eine Erhöhung der räumlichen Auflösung in der Rekonstruktion. Die Erkenntnisse aus diesem Abschnitt konnten durch ein FTH Experiment mit kohärenter Röntgenstrahlung bestätigt werden. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einer neuen Methode zur Effizienzsteigerung von FTH. Bei dieser Methode wird sowohl die Photoneneffizienz, als auch die theoretisch erreichbare, räumliche Auflösung erhöht, indem anstatt eines Pinholes eine Fresnel Zonenplatte (FZP) als Quelle für den Referenzstrahl genutzt wird. Abgesehen von der erhöhten Effizienz, hat diese Methode den Vorteil, dass die räumlichen Auflösung in der Rekonstruktion unabhängig vom Bildkontrast ist. Im Gegensatz zum konventionellen Ansatz mit Pinholereferenzen, liefert dieses Verfahren für jede FZP Beugungsordnung eine Rekonstruktion. Diese Rekonstruktionen sind verschieden stark defokussiert und überlagern sich auf der Strahlachse. Die Effizienz der verwendeten FZP-Referenz kann weiterhin gesteigert werden, indem mehrere Rekonstruktionen von verschieden Bergungsiii iv ordnungen kombiniert werden. Dazu können die Rekonstruktion der verschiedenen FZP Ordnung individuell refokussiert werden, indem die rekonstruierte Objektwelle numerisch entlang der Strahlachse propagiert wird. Der fokussierte Anteil wird dabei durch einen neuartigen Ansatz vom defokussierten Anteil der übrigen Beugungsordnungen getrennt. Die gesteigerte Effizienz der FZP Referenz gegenüber dem konventionellen Referenzpinhole konnte experimentell verifiziert werden. Ein dritter Schwerpunkt der Arbeit ist die Extraktion von Tiefeninformationen von konventionellen Fourier-Transformationhologrammen dreidimensionaler Testobjekte. Der experimentell gezeigte Ansatz nutzt die holographisch encodierten Phaseninformationen, um die rekonstruierte Objektwelle numerisch entlang der Strahlachse zu propagieren. Anteile der Probe die außerhalb des Schärfentiefebereichs liegen werden so refokussiert. Auf diese Art kann das Testobjekt vermessen und dreidimensional dargestellt werden. Im Gegensatz zu tomographischen Verfahren werden dabei die Tiefeninformationen der Probe aus einer einzigen Perspektive gewonnen.
Fourier transform holography is a coherent, lensless imaging method. In the most common soft X-ray implementation of Fourier transform holography, the source of the phase encoding reference beam is a small pinhole which is integrated into a metal film adjacent to an object aperture that defines the field-of-view. By illuminating this integrated mask with coherent X-rays, a hologram can be recorded in the far-field. The reconstruction of the exit wave in the object aperture is retrieved by Fourier transforming the hologram. While this configuration is very robust against sample drifts and vibrations, the efficiency is limited by the reference pinhole. Smaller reference pinholes improve the resolution whereas the reference signal on the detector and ultimately the image contrast in the reconstruction diminishes. The choice of the reference pinhole size is therefore a compromise that trades image resolution for photon efficiency. The first part of this thesis contains a theoretical discussion of the imaging properties for X-ray Fourier transform holography (FTH) and derives a model for the determination of reasonable pinhole diameters that ensure photon efficient imaging. Typical imaging artifacts are characterized and strategies for their prevention are discussed. Two of these strategies can additionally be utilized to enhance the spatial resolution for certain configurations of reference pinhole based FTH. The findings are successfully verified by a proof-of-principle experiment. The second part presents a new approach that replaces the reference pinhole by a Fresnel zone plate lens (FZP). The method drastically enhances the signal strength of the reference beam and effectively decouples the spatial resolution in the reconstruction from image contrast. Related to the FZP diffraction orders, the method yields several differently strong defocused reconstructions which superpose along the beam axis. The FZP diffraction efficiency is much improved by combining several focal order reconstructions which are individually refocused by numeric wave field propagation. To separate a focused reconstruction of a particular FZP focal order from the remaining defocused reconstructions, a novel algorithm is proposed. The superiority of the FZP based reconstruction over the conventional pinhole reconstruction is experimentally demonstrated. The extraction of depth information from three-dimensional specimen imaged by conventional FTH with pinhole references is discussed and experimentally demonstrated in the third part. The approach exploits the holographically encoded phase information from a hologram of an artificial three-dimensional test structure. Object features outside the depth-of-field are numerically refocused by propagating the reconstructed object wave along the beam axis into focus. Contrary to tomographic approaches, a three-dimensional model of the test structure is obtained from a single view measurement.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-61990
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4626
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4329
Exam Date: 24-Nov-2014
Issue Date: 16-Jan-2015
Date Available: 16-Jan-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Fourier-Transformations-Holographie
Hochauflösende Röntgenoptik
Kohärente Röntgenbildgebung
Röntgenmikroskopie
Coherent X-ray imaging
Fourier transform holography
FTH
High resolution X-ray imaging
X-ray microscopy
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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