Une équipe internationale de chercheurs qui comprend des scientifiques de la division de recherche informatique (CRD) de Berkeley Lab et du Centre for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA) continue de trouver de nouvelles façons d'améliorer la reconstruction d'images ptychographiques.

Dans les expériences scientifiques, L'imagerie par rayons X ptychographique est principalement utilisée pour caractériser la structure et les propriétés de la matière et des matériaux. Bien que la méthode existe depuis une cinquantaine d'années, une large utilisation a été entravée par le fait que le processus expérimental était lent et que le traitement informatique des données pour produire une image reconstruite était coûteux.

Mais ces dernières années, les progrès des détecteurs et des microscopes à rayons X à des sources lumineuses telles que la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab ont permis de mesurer un ensemble de données ptychographiques en quelques secondes. Par conséquent, aujourd'hui la ptychographie est utilisée dans de nombreux domaines scientifiques, y compris la physique de la matière condensée, biologie cellulaire et électronique.

En pratique, La ptychographie aux rayons X fonctionne en concentrant un faisceau de rayons X sur un point d'un échantillon. La diffusion de l'échantillon est enregistrée dans le champ lointain, et le motif enregistré est ensuite mis en phase pour obtenir l'image finale. La résolution la plus élevée possible n'est pas limitée par la taille de la tache focale, uniquement par l'ouverture numérique et la longueur d'onde utilisées. La procédure de phasage en ptychographie utilise le chevauchement entre des expositions consécutives de l'échantillon, plus les diagrammes de diffraction en champ lointain enregistrés, pour reconstruire une image haute résolution de l'échantillon.

Par conséquent, la reconstruction d'ensembles de données ptychographiques peut être un défi gourmand en données qui implique la résolution d'un problème difficile de récupération de phase, l'étalonnage des éléments optiques et le traitement des valeurs aberrantes expérimentales et du « bruit ». Pour relever ce défi, Les scientifiques de Berkeley Lab ont développé SHARP (ptychographie adaptative en temps réel hétérogène évolutive), un cadre algorithmique et un logiciel informatique qui permet la reconstruction de millions de phases de données d'images ptychographiques par seconde. Depuis son introduction en 2016, SHARP a eu un impact démontrable sur la productivité des scientifiques travaillant à l'ALS et à d'autres sources lumineuses du complexe du ministère de l'Énergie, avec des succès notables dans l'analyse des couches minces magnétiques, magnétozomes et matériaux de batterie 3-D.

Désormais chercheurs de CAMERA, l'Université du Texas et l'Université normale de Tianjin, tous membres de la collaboration SHARP, ont développé un modèle qui améliore encore les capacités de reconstruction de SHARP. Le nouvel algorithme, GDP-ADMM (décomposition en gradient de la méthode sonde/sens alternatif des multiplicateurs), tire parti des aspects mathématiques de pointe de la récupération de phase, optimisation du bruit de fond et "débruitage" du détecteur pour améliorer l'acquisition des données et la résolution de l'image. Avec GDP-ADMM, SHARP est maintenant capable de gérer plus de lumière qu'auparavant, permettant une acquisition plus rapide et une résolution temporelle plus élevée et finalement plus de découvertes scientifiques.

Un article décrivant GDP-ADMM a fait la couverture du numéro de mai 2018 de Acta Cristallographie Section A . GDP-ADMM permet d'utiliser plus de lumière, ouvrir les fentes d'entrée d'un microscope ptychographique et réduire le nombre d'images nécessaires pour obtenir suffisamment de données pour reconstruire une image significative. La publication détaille comment GDP-ADMM et l'analyse de cohérence partielle aident à surmonter les problèmes de stabilité inhérents aux expériences d'imagerie ptychographique cohérentes, qui rejettent souvent la majorité du flux d'une source lumineuse pour définir la cohérence d'un éclairement (sonde à rayons X cohérente localisée). Il exploite également la séparabilité translationnelle du noyau pour accélérer l'analyse.

"L'objectif était d'offrir la possibilité de découvrir rapidement des nanoparticules intéressantes à pleine résolution en permettant un retour rapide des microscopistes sur les lignes de lumière, " a déclaré Stefano Marchesini, membre du personnel scientifique du CRD et co-auteur de l'article d'Acta. "Même lorsque les sources lumineuses cohérentes de nouvelle génération sont mises en ligne, nous pourrons peut-être étendre les énergies des rayons X qui peuvent être utilisées en ptychographie en utilisant ce modèle."