コヒーレント回折イメージング^（注１）は、レンズを使用せずに高分解能な観察が可能なレンズレスの顕微手法です。この特徴は特に、高性能レンズの作製が難しいX線領域において有用で、レンズ性能を超える分解能で材料内部の化学状態を観察できることから注目を集めています。しかし、化学状態を観察するために必要な試料による光の吸収分布を表す像（振幅像）を得るためには複数回の計測が必要であり、このことが動的な化学反応の観察への応用を妨げていました。
　東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センターの阿部真樹博士研究員（日本学術振興会特別研究員）、石黒志准教授、高橋幸生教授らの研究グループは、コヒーレント回折イメージングにおいて一回の計測でも振幅像の取得が可能になる新たな解析手法を開発しました（図1）。本手法は、従来手法においても一回の計測から得ることができた光波の進み（もしくは遅れ）具合の分布を表す像（位相像）が振幅像と類似した構造を示すことに着目し、その構造類似性を振幅像の取得に活用します。
　これにより、約30 nm（ナノメートル、1 nmは10億分の1メートル）という高い分解能を達成しただけでなく、従来手法と同等の精度を持つ振幅像を60分の1以下の計測時間で取得することに成功しました。
　本手法は、電池や触媒の内部で生じる化学反応のリアルタイム観察を可能にし、材料の性能劣化メカニズムの解明や新材料開発の加速など、様々な分野で応用されると期待されます。
　この成果は、2024年12月13日付で光学およびフォトニクス分野の専門誌Opticaにオンライン公開されました。
 

　

　本研究では、一枚の回折強度パターンから振幅像を再構成するための新たな位相回復手法を開発しました。位相回復計算は本来、一枚の回折強度パターンからでも振幅像を再構成できる性能を持っています。しかし実際の実験では、回折強度パターンに含まれる試料の情報がノイズに埋もれてしまい、正確な振幅像の再構成が困難でした。この問題を克服するには、事前に分かっている試料の情報により位相回復計算を補助することが有効です。そこで本研究で着目したのが、一回の計測でも取得可能な「位相像」の構造です。位相像は、試料による光波の進み（もしくは遅れ）具合を表す画像で、ほとんどの材料において振幅像とよく似た構造を示します。この構造類似性を振幅像再構成に活用するのが、今回開発した位相誘導振幅再構成（Phase-Guided Amplitude Reconstruction：PGAR）という新手法です（図2）。本手法の特徴は「ガイド付きイメージフィルタ処理（Guided image filtering）」という画像処理技術を活用する点にあります。このフィルタは2つの画像が与えられたとき、一方の画像がもつ構造的な特徴を他方の画像に伝達するというユニークな働きをします。PGARでは、ガイド付きイメージフィルタにより位相像の構造を振幅像に伝達しながら位相回復計算を繰り返すことで、一枚の回折強度パターンからでも正確かつ高分解能な振幅像の再構成を実現しました。