アクロマティックX線の集束のために3D造形した積層型マイクロレンズ

X線イメージング技術の最も有名な例は、医療診断用のX線撮影があります。この技術により、骨や臓器などの体内組織を非侵襲的に分析することができます。しかし、X線技術の診断ツールとしての威力は、医療分野だけにとどまりません。X線顕微鏡は、X線が物質に深く入り込むため、可視光では不明瞭な物体の内部構造まで詳細に調べることができます。さらに、X線の波長が短いため、ナノメートルスケールのウイルス1個に至るまで高解像度で撮影することが可能です。

X線ベースの顕微鏡は、屈折・回折光学系に固有の色収差がありX線のエネルギーによって焦点位置が異なるため、狭帯域の放射線光源に限定されているのが現状です。

高性能X線アクロマートのための2光子重合

ヴィリゲンのパウル・シェラー研究所の科学者たちとXRnanotech社の専門家は、共同研究でこの問題に取り組み、Nanoscribeの3Dプリンティング技術を利用して初のX線アクロマート光学系を開発しました。このアクロマート光学系は、電子線リソグラフィーで作製されたフレネルゾーンプレート（FZP）と、4つの放射状マイクロレンズから構成される3D造形した屈折型積層マイクロレンズの2つの要素で構成されています。2PPで製作した積層型マイクロレンズは開発の中心であり、X線エネルギーの幅広い範囲において色収差のない走査型透過X線顕微鏡（STXM）を実現します。

高アスペクト比複合屈折型マイクロオプティクス

色収差補正の考え方は、18世紀にまでさかのぼることができます。クラウンガラス製の集光レンズとフリントガラス製のデフォーカスレンズを重ねると、2つの材料の分散特性が異なるため、可視光の色収差を補正するアクロマティック複レンズが完成します。研究者たちは、このコンセプトをX線の領域に応用するためには、いくつかの課題を克服しなければなりませんでした。高エネルギーX線では、材料間の分散差がごくわずかのため、同複レンズのコンセプトをそのままX線アクロマートに適用することは不可能です。
そこで研究者たちは、回折レンズと屈折レンズの異なる集光特性を利用しました。屈折レンズの焦点距離がエネルギーの2乗に比例するのに対し、回折光学系は焦点距離のエネルギー依存性が直線的です。このため、集光型回折FZPをデフォーカス型屈折レンズと組み合わせることで、色収差を打ち消すことが可能になります。

3D造形した積層型マイクロレンズ

X線は可視光線と違って屈折しにくいため、マクロスケールの屈折レンズでは焦点距離が長くなり、X線アクロマートに適した屈折レンズの製作が最大の課題でした。スイスの研究チームは、Nanoscribeの放物状マイクロレンズを4つ重ねて3Dプリンティングする技術により、この課題を克服しました。半径わずか5.3 µm、高さ236 µmの2PPで作製した4つのマイクロレンズは、1つの積層デザインで造形されています。X線に対する材料の屈折率は1よりわずかに低いため、研究者は、同じレンズ形状で集光する可視光レンズとは異なり、X線のデフォーカシングを実現するために凸型マイクロレンズを造形しました。
この屈折型積層マイクロレンズと回折型FZPを組み合わせることで、X線の幅広い波長域で焦点深度内の同じ場所にX線を集光する、初のX線アクロマートを製作しました。この開発により、セットアップの調整が不要な単色放射光を用いた分光や、広帯域X線管光源での顕微鏡観察において、光源からのX線スペクトルをフルに活用し、スキャン時間を大幅に短縮する新しいアプリケーションへの道が開かれました。