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Digital In-Line X-Ray Holographic Microscopy with Synchrotron Radiation

Barth, Ruth

German Title: Digitale in-line röntgenholographische Mikroskopie mit Synchrotronstrahlung

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Abstract

In-line holography is a lensless microscopy method yielding three-dimensional images of the object, where the resolution limit depends on the illuminating wavelength and the numerical aperture of the system, only. In this work, an in-line holographic setup was implemented with radiation in the vacuum-ultraviolet and soft X-ray region. Diverging wavefronts were generated by diffraction of the synchrotron radiation from a pinhole with suitable diameter. The holographic interference pattern was recorded with a CCD camera, and the images were numerically reconstructed using the Kreuzer implementation of the Kirchhoff-Helmholtz transform. With this microscopic technique, lithographic structures in photo resist, mixtures of polystyrene beads and iron oxide particles, and dried biological samples such as rat embryonic fibroblast cells, green algae Ulva linza, and human chromosomes were imaged. The achieved resolution was determined via different criteria and was compared to the theoretical expectations. It was shown, that by increasing the numerical aperture with smaller pinholes and by correcting for drift effects, the experimental resolution could be improved from delta(exp) = 1.13 +- 0.35 µm to delta(exp) = 0.37 +- 0.04 µm, meeting the theoretical prediction of delta(theo) = 0.34 µm. Furthermore, by recording holograms at different energies, element contrast was obtained.

Translation of abstract (German)

In-line Holographie kann als eine linsenlose Mikroskopietechnik verwendet werden, welche dreidimensionale Bilder des Objektes liefert und deren Auflösung nur von der verwendeten Wellenlänge und der numerischen Apertur des Systems abhängt. In der vorliegenden Arbeit wurde Holographie in der in-line Geometrie mit Wellenlängen im vakuum-ultravioletten und weichen Röntgenbereich verwendet. Durch Beugung der Synchrotronstrahlung an Lochblenden mit geeignetem Durchmesser wurden divergente Wellenfronten erzeugt. Das holographische Interferenzmuster wurde mit einer CCD-Kamera aufgenommen, und die Bilder wurden mit Hilfe der Kreuzer-Implementierung der Kirchhoff-Helmholtz-Transformation numerisch rekonstruiert. Mit dieser Mikroskopietechnik wurden lithographische Strukturen in Photolack, Mischungen aus Polystyrolkugeln und Eisenoxidpartikeln, und getrocknete biologische Proben wie Rattenfibroblasten, die Grünalge Ulva linza und menschliche Chromosomen abgebildet. Die erreichte Auflösung wurde über verschiedene Kriterien bestimmt und mit den theoretischen Vorhersagen verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass durch Erhöhung der numerischen Apertur mittels kleinerer Lochblendendurchmesser und durch nachträgliche Korrektur des Abdriftens der Probe die experimentell erreichte Auflösung von delta(exp) = 1.13 +- 0.35 µm auf delta(exp) = 0.37 +- 0.04 µm verbessert werden konnte. Dieser Wert entspricht den theoretischen Erwartungen. Desweiteren konnte durch Aufnahmen bei verschiedenen Wellenlängen ein Kontrast zwischen unterschiedlichen chemischen Elementen erzeugt werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grunze, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 14 May 2008
Date Deposited: 17 Jun 2008 09:34
Date: 2008
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Holographie, Synchrotron, Synchrotronstrahlung, Weiche Röntgenstrahlung, Mikroskopie, Auflösung
Uncontrolled Keywords: in-line , Kirchhoff-Helmholtz-Transformationholography , synchrotron radiation , resolution , microscopy , in-line
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