Hartmann-based wavefront sensing and multi-contrast imaging with synchrotron and laboratory sources

Im Laufe der Jahre haben Methoden, die für Phaseninformationen empfindlich sind, in Wissenschaft und Technik großes Interesse geweckt und sich in Bereichen wie der Materialwissenschaft und der Medizin stetig und schnell weiterentwickelt. Die Entwicklung solcher Techniken im Bereich der harten Röntgenstrahlung verlief ähnlich wie bei der visuellen Lichtoptik, einschließlich der Entwicklung und Anpassung analoger optischer Elemente und Datenverarbeitungsstrategien, um genauere Charakterisierungen zu erhalten. Auch wenn einige Methoden, die auf Welleninterferenz beruhen, eine hohe Winkelempfindlichkeit bieten können, ist die Umsetzung solcher Techniken sehr komplex. ... mehrErhöhte Anforderungen an die Lichtquelle in Bezug auf Monochromatizität, Lichtstrom und Kohärenz, zusammen mit anspruchsvoller Mechanik, Ausrichtungsverfahren und langen Belichtungszeiten. Eine hohe Winkelempfindlichkeit könnte je nach Anwendung überflüssig sein, und lange Belichtungszeiten könnten die Anwendbarkeit einschränken. Bei der Überwachung von schnellen Prozessen, niedrigen Flussbedingungen, Vielseitigkeit und Einfachheit der Implementierung von Single-Shot-Methoden könnten daher vorzuziehen sein.


Hartmann-basierte Wellenfrontsensor-Techniken sind in der Astronomie, Atmosphärenforschung und Mikroskopie weit verbreitet. Es handelt sich um ein vielseitiges Instrumentarium, das ergänzende Informationen zu den Intensitätsmessungen liefern könnte. Die hohe Energie der Röntgenstrahlen, ihr hohes Durchdringungsvermögen und ihr niedriger Brechungsindex erfordern jedoch die Anwendung komplexer neuer Lösungen. Die modernsten Strukturierungstechniken wie 3D-Zweiphotonenlithographie, Deep X-ray Lithography und bekannte Methoden wie UV-Lithographie ermöglichen die Herstellung optischer Komponenten mit geeigneten Parametern.

In dieser Arbeit wird die Implementierung des Shack-Hartmann-Wellenfrontsensors auf der Basis eines 2D-refraktiven Linsenarrays und einer invertierten Hartmann-Maske für die optische Messtechnik, die Multikontrastabbildung und die Computertomographie gezeigt.

Mit dem Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor wurde eine Multikontrastabbildung der röntgenrefraktiven Diamantlinse durchgeführt. Es war möglich, neben der Intensität auch differentielle Phaseninformationen zu erhalten, um die innere Struktur der Linse und ihre Wellenfrontmodulationsleistung zu untersuchen. Durch die Beibehaltung eines relativ großen Pitch, der eine geringe räumliche Auflösung bedingt, konnte eine Winkelempfindlichkeit von einigen Dezimalen $\mu$radian erreicht werden. Durch die Anwendung des Supper-Resolution-Ansatzes auf der Grundlage von Beamlet-Verschiebungen konnte die räumliche Auflösung erhöht werden, was hilfreich sein könnte, wenn man eine höhere Winkel- und Ortsauflösung auf Kosten der Belichtungszeit erreichen möchte.

Die Inspektion der inneren Struktur der mit Glasfasern verstärkten Polymerverbundwerkstoffe war aufgrund der hohen Winkel- und Ortsauflösung, der Kleinwinkelstreuungsempfindlichkeit und der hohen Flux-Effizienz der invertierten Hartmann-Maske möglich. Es wurde gezeigt, dass es möglich ist, eine invertierte Hartmann-Maske für die 2D- und 3D-Abbildung von Materialien mit komplexen Strukturen zu verwenden. Der Bildgebungskanal mit Kleinwinkelstreuung ermöglichte die Verfolgung feiner struktureller Veränderungen wie die Vervielfachung von Mikrobrüchen und die Selbstheilung durch Mikrokapseln in flachen Verbundwerkstoffen. Durch die Kombination eines wenig absorbierenden Substrats und eines invertierten Designs der Hartmann-Maske konnten ähnliche Belichtungszeiten wie bei der konventionellen Röntgenbildgebung erreicht werden, was für tomographische Anwendungen unerlässlich ist. Es war möglich, richtungsabhängige Strukturinformationen aufzunehmen, die unter anderem für die Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe wichtig sind.

Over the years, methods sensitive to phase information have attracted great interest in the scientific and engineering communities, evolving steadily and rapidly in areas such as materials science and medicine. The development of such techniques in the field of hard X-rays followed a similar journey to that of visual light optics, including the development and adaptation of analogous optical elements and data processing strategies aimed at obtaining more accurate characterizations. Even though some methods that rely on wave interference could provide high angular sensitivity, implementing such techniques could be complex. ... mehrIncreased requirements for the light source in terms of monochromaticity, flux, and coherence, along with sophisticated mechanics, alignment procedure, and long exposure times. High angular sensitivity could be redundant depending on a specific application, and long exposure times could narrow applicability. Thus, in monitoring fast processes, low flux conditions, versatility, and simplicity of implementing single-shot methods could be preferable.


Hartmann-based wavefront sensing techniques are widely used in astronomy, atmosphere research, and microscopy. It is a versatile set of tools that could provide complementary information to the intensity measurements. However, the X-rays' high energy, high penetration ability, and low refraction index imply the application of complex novel solutions. The state-of-the-art patterning techniques, such as 3D two-photon lithography, Deep X-ray lithography, and well-known methods, such as UV-lithography, allow for fabricating optical components with suitable parameters.

This thesis shows the implementation of the Shack-Hartmann wavefront sensor based on a 2D refractive lens array and inverted Hartmann mask for optics metrology, multi-contrast imaging, and computed tomography.

Multi-contrast imaging of an X-ray refractive diamond lens was performed using the Shack-Hartmann wavefront sensor. It was possible to obtain differential phase information alongside intensity to inspect the inner structure of the lens and its wavefront modulation performance. By keeping a relatively big pitch, which imposes low spatial resolution, it was possible to achieve decimals of $\mu$radian angular sensitivity. Applying the supper-resolution approach based on beamlet shifts allowed to increase the spatial resolution, with could be helpful if one wants to achieve higher angular and spatial resolution at the cost of exposure time.

Inspection of the inner structure of polymer composite materials, reinforced with glass fibers, was possible due to high angular and spatial resolution, small-angle scattering sensitivity, and high flux efficiency of the inverted Hartmann mask. It was shown that it is possible to use an inverted Hartmann mask for 2D and 3D imaging of materials with complex structures. The small angle scattering imaging channel allowed for tracking of fine structural changes such as microfracture multiplication and microcapsule-based self-healing in flat composites. The combination of a low absorbing substrate and an inverted design of the Hartmann mask allowed achieving similar exposure times to conventional X-ray imaging, which is essential for tomographic applications. It was possible to record direction-dependent structural information, which is important for new composite materials development, among other applications.