Kurzfassung
Ptychographie mit Röntgenstrahlung wird immer beliebter. Die Semi-Transparenz der Materie für Röntgenstrahlung ermöglicht es, die Struktur der Materie zu untersuchen und damit die Grundlage für das Verständnis der Funktionsweise zu legen. Mit der Röntgen-Ptychograhie ist eine räumliche Auflösung bis in den einstelligen Nanometerbereich erreichbar. Vielfältige Materialien sind für die Untersuchung geeignet, wie biologische Proben, Katalysatoren oder Mikrochips. Moderne Synchrotronquellen erlauben es ptychographische Scans innerhalb von Minuten durchzuführen, wodurch die Untersuchung dynamischer Prozesse ermöglicht wird. Weiterhin lässt sich die Röntgen-Ptychographie mit tomographischen Verfahren kombinieren, um dreidimensionale Strukturen darzustellen.
Nichtsdestotrotz ist Röntgen-Ptychographie eine anspruchsvolle Methode. Die mechanische Hardware eines ptychographischen Mikroskops muss eine Stabilität aufweisen, die der erreichten räumlichen Auflösung entspricht. Instabilitäten reduzieren die Qualität des rekonstruierten Objekts.
Die ptychographische Datenauswertung ist sehr rechenintenstiv und wird i.d.R. offline durchgeführt. Offline bedeutet, die Datenerfassung und -Auswertung sind nacheinander abfolgende Schritte. Sollte die Probe nicht innerhalb des Sichtfelds positioniert sein, wird erst bemerkt wenn die Daten rekonstruiert sind. Dies führt dazu, dass wertvolle Messzeit an Synchrotronquellen verschwendet wird. Weiterhin erfordert der hohe Rechenaufwand, dass die Auswertungssoftware entsprechend optimiert ist, um den hohen Datenraten gerecht zu werden. Synchrotronquellen der vierten Generation werden noch deutlich gr¨oßere Datenmengen erzeugen.
Diese Arbeit behandelt die zuvor dargestellen Herausforderungen mit drei Projekten. Zunächst wird ein algorithmischer Ansatz vorgestellt, der die bei der ptychografischen Datenerfassung auftretenden Vibrationen korrigiert. Der Algorithmus reduziert die räumliche Auflösung um einen Faktor 2 für einen Datensatz, der signifikant durch Vibrationen beeinträchtigt ist. Weiterhin wurde eine Implementierung für die Online-Ptychographie entwickelt, die die Datenauswertung während der Datenerfassung durchführt. Dies ermöglicht eine Rückmeldung in Echtzeit während des Experiments. Abschließend wurde eine GPU-beschleuchnigte Implementierung für die direkte 3D Ptychographie entwickelt. Die erreichte Rekonstruktionsgeschwindigkeit ist hoch genug, um mit den hohen Akquisitionsraten von Synchrotronquellen der vierten Generation mitzuhalten. Die Implementierung ist ungefähr um einen
Faktor 3000 schneller als die vorherige Version.
X-ray ptychography is becoming increasingly popular. The semi-transparency of matter to X-rays allows to look into their structure and thereby lay the foundation to understand their functionality. X-ray Ptychography achieves a spatial resolution down to the single nanometer regime. A broad range of materials are well suited for investigation, such as biological samples, catalysts or microchips. Modern synchrotron radiation sources allow to perform ptychographic scans in minutes, which enables the investigation of fast dynamic processes. Furthermore, ptychography is perfectly suited to be combined with tomographic routines to resolve threedimensional structures. Nevertheless, ptychography is still a challenging method. The mechanical hardware of a ptychographic microscope must provide a stability similar to the achieved spatial resolution. Instabilities cause a blurring of the reconstructed object and reduce the reconstruction quality. The ptychographic data evaluation is computationally expensive and mostly done offline, which means the data acquisition and evaluation are subsequent steps. If the sample is positioned out of the field of view, this is only noticed once the data is reconstructed, leading to a waste of valuable measurement time at synchrotron radiation sources. The computational effort of the ptychographic data evaluation is enormous. The evaluation software has to be optimized to cope with the amount of data. Fourth generation synchrotron radiation sources such as PETRA IV will acquire ptychographic datasets at even higher data rates. In this thesis, three projects are presented that address the current challenges of ptychography. First, an algorithmic approach is introduced that corrects for the vibrations that occur during the ptychographic data acquisition. The algorithm decreases the spatial resolution by a factor 2 for a dataset that is significantly disturbed by vibrations. Second, a structure and implementation for online ptychography has been developed, that performs the data evaluation while the data is still acquired. This enables a real time feedback during the experiment. Third, an optimized software for direct 3D ptychography has been implemented, that yields a performance high enough to catch up with the high acquisition rate of fourth generation synchrotron sources. The implementation is about a factor 3000 faster than the before version.