Ptychographie

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La ptychographie (du grec ptycho, signifiant « plier ».) est une technique de microscopie sans lentille. Pour obtenir une image à haute résolution d'un objet, plusieurs figures de diffraction successives sont mesurées en déplaçant l'objet, tout en gardant un fort recouvrement. L'image réelle est reconstituée par itérations successives, à partir des mesures d'intensité du rayonnement diffracté sur l'objet et de la phase des ondes déduite des interférences entre les différentes figures de diffraction.

Cette technique a été proposée par Walter Hoppe à la fin des années 1960 pour la microscopie électronique[1], mais n'a été effectivement montrée expérimentalement que 35 ans plus tard [2],[3].

Pour cette première démonstration, la reconstruction de l'image a été obtenue en utilisant la méthode de déconvolution de la fonction de distribution Wigner (WDF) [4]. Bien que cette approche permette une approche théorique utile de la ptychographie, le nécessaire échantillonnage de Nyquist dans les deux espaces, réciproque et réel, est bien trop complexe et a rendu les expériences plutôt impraticables.

L'intérêt pour la ptychographie a été revigoré quelques années plus tard en incorporant des algorithmes itératifs efficaces de récupération de phase, qui itèrent entre l'espace réel et l'espace réciproque à travers des transformées de Fourier et sont basés sur des projections minimisant la distance sur deux ensembles de contraintes [5],[6],[7],[8],[9] qui assurent à la fois, la cohérence de l'image avec les données mesurées et l'auto-cohérence des images reconstruites dans les zones à éclairage multiple.

Principe[modifier | modifier le code]

Dans son article original, l'auteur proposait de résoudre le problème de restitution de phase en utilisant l'interférence des réflexions de Bragg adjacentes pour déterminer leur phase relative, une fente mince dans le plan du spécimen étant utilisée pour étendre en fréquence chaque point du réseau réciproque, et les faire interférer.

La technique nécessite l'enregistrement de plusieurs figures de diffraction en champ lointain (transformée de Fourier), en déplaçant à chaque fois l'objet avec un taux de recouvrement suffisant entre chaque image. Enfin, une technique numérique itérative est utilisée pour récupérer la phase.

Application[modifier | modifier le code]

L'imagerie ptychographique, couplée à l'évolution des capteurs, a permis l'apparition de microscopes sans lentilles à rayon X, optiques, mais aussi électroniques avec une résolution spatiale améliorée. À l'instar de la microscopie électronique sans lentille (basée sur l'holographie), la technique est particulièrement utile en microscopie électronique[10],[11], car elle permet d'éviter l'utilisation peu efficace de lentilles électrostatiques. La ptychographie a également été déclinée dans une version vectorielle (prenant en compte la polarisation de la lumière et la possible anisotropie des matériaux), notamment pour l'étude de matériaux biominéraux[12].

Références[modifier | modifier le code]

  1. Hoppe, Walter (1969), "Beugung im inhomogenen Primärstrahlwellenfeld. I. Prinzip einer Phasenmessung von Elektronenbeungungsinterferenzen", Acta Crystallographica, Section A, vol. 25, 4e partie, juillet 1969, pages 495-501, doi 10.1107/S0567739469001045
  2. (en) P. D. Nellist, B. C. McCallum et J. M. Rodenburg, « Resolution beyond the 'information limit' in transmission electron microscopy », Nature, vol. 374, no 6523,‎ , p. 630–632 (DOI 10.1038/374630a0, lire en ligne, consulté le )
  3. (en) Henry N. Chapman, « Phase-retrieval X-ray microscopy by Wigner-distribution deconvolution », Ultramicroscopy, vol. 66, nos 3-4,‎ , p. 153–172 (DOI 10.1016/s0304-3991(96)00084-8, lire en ligne, consulté le )
  4. (en) J. M. Rodenburg et R. H. T. Bates, « The Theory of Super-Resolution Electron Microscopy Via Wigner-Distribution Deconvolution », Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 339, no 1655,‎ , p. 521–553 (ISSN 1364-503X et 1471-2962, DOI 10.1098/rsta.1992.0050, lire en ligne, consulté le )
  5. H. M. L. Faulkner, « Movable Aperture Lensless Transmission Microscopy: A Novel Phase Retrieval Algorithm », Physical Review Letters, vol. 93, no 2,‎ (DOI 10.1103/PhysRevLett.93.023903, lire en ligne, consulté le )
  6. « A phase retrieval algorithm for shifting illumination », Applied Physics Letters, vol. 85, no 20,‎ , p. 4795–4797 (ISSN 0003-6951, DOI 10.1063/1.1823034, lire en ligne, consulté le )
  7. J. M. Rodenburg, « Hard-X-Ray Lensless Imaging of Extended Objects », Physical Review Letters, vol. 98, no 3,‎ (DOI 10.1103/PhysRevLett.98.034801, lire en ligne, consulté le )
  8. J. M. Rodenburg, A. C. Hurst et A. G. Cullis, « Transmission microscopy without lenses for objects of unlimited size », Ultramicroscopy, vol. 107, nos 2–3,‎ , p. 227–231 (DOI 10.1016/j.ultramic.2006.07.007, lire en ligne, consulté le )
  9. (en) Pierre Thibault, Martin Dierolf, Andreas Menzel et Oliver Bunk, « High-Resolution Scanning X-ray Diffraction Microscopy », Science, vol. 321, no 5887,‎ , p. 379–382 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, PMID 18635796, DOI 10.1126/science.1158573, lire en ligne, consulté le )
  10. DOI:10.1038/467409a
  11. M.J. Humphry, B. Kraus, A.C. Hurst, A.M. Maiden et J.M. Rodenburg, Ptychographic electron microscopy using high-angle dark-field scattering for sub-nanometre resolution imaging, Nature Communications, vol. 3-370 (2012).
  12. (en) Patrick Ferrand, Arthur Baroni, Marc Allain et Virginie Chamard, « Quantitative imaging of anisotropic material properties with vectorial ptychography », Optics Letters, vol. 43, no 4,‎ , p. 763–766 (ISSN 1539-4794, DOI 10.1364/OL.43.000763, lire en ligne, consulté le )

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