Синхротронное излучение обладает высокой степенью когерентности, что делает возможным использование фазочувствительных методик при получении изображений объектов в рентгеновском диапазоне. Традиционные методы рентгенографии фиксируют лишь интенсивность прошедшего через объект излучения, теряя информацию о фазе волнового фронта. Между тем именно фазовые сдвиги, возникающие вследствие различий в показателе преломления различных областей образца, несут критически важную информацию о его внутренней структуре.
Задача фазового восстановления заключается в том, чтобы по распределению интенсивности в дальней или ближней зоне дифракции восстановить фазу и, следовательно, полное комплексное поле. Такой подход позволяет реконструировать изображения с нанометровым разрешением, включая объекты, малоконтрастные в традиционной абсорбционной рентгенографии.
Одним из ключевых направлений является когерентная дифракционная визуализация (Coherent Diffraction Imaging, CDI). Суть метода заключается в том, что объект освещается когерентным пучком синхротронного излучения, а детектор фиксирует распределение интенсивности в дифракционной картине. Поскольку информация о фазе утрачивается, применяются итерационные алгоритмы фазового восстановления, такие как алгоритм Герчберга–Сакстона (Gerchberg–Saxton) или алгоритм Фиенкона (Fienup).
Основным условием успешного восстановления является переопределённость данных: дифракционная картина должна быть зарегистрирована с избыточным числом точек по сравнению с размерностью изображения. Это достигается за счёт оверсэмплинга (oversampling) дифракционного сигнала.
Помимо CDI, широкое развитие получили методы фазового контраста, использующие интерференцию или дифракцию для преобразования фазовых сдвигов в интенсивностный сигнал.
Метод с использованием интерферометров (Талбот- и Мойре-геометрия). В таких системах фазовый сдвиг преобразуется в модуляцию интерференционной картины. Детектирование смещений полос позволяет вычислить распределение фазы.
Методы на основе преобразования Фурье. При известной зависимости интенсивности от расстояния между образцом и детектором (техника дифракции в ближней зоне, или фазовое восстановление по переносу интенсивности) возможно вычисление фазового распределения через решение уравнения переноса интенсивности (Transport of Intensity Equation, TIE).
Голографические методы. Применение когерентного синхротронного излучения позволяет записывать голограммы объектов. Восстановление фазы производится посредством обратного преобразования Фурье.
Алгоритмы восстановления фазы делятся на несколько групп:
Итерационные методы:
Методы на основе уравнения переноса интенсивности: Дают возможность напрямую вычислить фазу при измерении интенсивностей на нескольких расстояниях от образца.
Регуляризационные подходы и байесовские методы: Применяются для улучшения устойчивости восстановления при наличии шума и ограниченного объёма экспериментальных данных.
Фазовые методы позволяют проводить не только двумерную реконструкцию, но и трёхмерную томографию образцов. При этом регистрируются серии дифракционных картин при различных углах вращения образца. Объединяя фазовую реконструкцию с томографической обработкой, получают трёхмерные изображения внутренней структуры образцов с высоким пространственным разрешением.
В отличие от традиционной рентгеновской томографии, чувствительной преимущественно к коэффициенту поглощения, фазовая томография выявляет различия в показателях преломления, что особенно важно для биологических тканей и лёгких материалов, где поглощение малоинформативно.
Фазовые методы восстановления изображений предъявляют повышенные требования к источнику излучения и детекторам. Необходима высокая когерентность, стабильность пучка и широкая динамическая область детекторов. Современные синхротронные источники четвёртого поколения, такие как ESRF-EBS или MAX IV, обеспечивают условия для рутинного применения этих методик.
Перспективы связаны с развитием временного разрешения (фемтосекундные эксперименты), а также с интеграцией фазовых методов с другими контрастными подходами — например, комбинирование фазовой томографии и спектроскопии позволяет одновременно получать как структурную, так и химическую информацию.