Doctoral Thesis

Reduction of limits of X-ray microscopy in computed tomography

Final Thesis 48.03 MB

Author of thesis: Ing. Marek Zemek, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D.

Reviewers: prof. Dr. Ing. Gabriel Herl, Doc. Sascha Senck, Ph.D.

Abstract:

X-ray computed tomography (CT) is a versatile nondestructive inspection method, owing in part to the wide range of sample sizes and achievable spatial resolution. X-ray microscopy CT is a category of CT that combines X-ray imaging with microscope optics to perform high-resolution submicron measurements in a compact form-factor. However, the high resolution and the form-factor incur certain non-trivial limits on this imaging modality. Among the most critical restrictions is the limited physical size of the field of view (FoV), which hinders high-resolution inspection of wide or tall samples. Additionally, microscope optics and the physics of X-ray imaging exacerbate this limit by introducing distortions and loss of spatial resolution. This work deals with the analysis and reduction of the physical and optical limits in submicron X-ray microscopy CT. Techniques of both lateral and axial FoV extension are examined to address the physical limits of the FoV, and the optical and imaging limits, which have the potential to jeopardize these techniques, are addressed. A multi-stage alignment approach and seamless blending strategy are implemented for fast and effective combination of CT volumes, facilitating axial FoV extension. For lateral extension, limits of the well-known offset-scan measurement protocol are evaluated and reported. A robust and affordable method is implemented for correcting radial distortion of microscope lenses. Finally, two methods are adapted and implemented for estimating the point spread function (PSF) of the CT scanner, a crucial factor of the spatial resolution of X-ray microscopes, and a powerful tool for image enhancement through deconvolution. The methods and analyses discussed in this work form a suite of techniques for both understanding and surpassing the limits of X-ray microscopy CT, which increases the utility of this modality while creating a basis for further improvements of the image quality achievable on these devices.

Keywords:

Computed tomography, radiography, X-ray microscopy, Image processing, Image quality enhancement, point spread function, spot imaging, field-of-view extension, offset, volumetric data stitching, camera calibration, radial distortion correction

Date of defence

26.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertační práce Ing. Marka Zemka se zabývá limity výpočetní tomografie realizované pomocí rentgenové mikroskopie, se zvláštním zaměřením na zařízení Rigaku nano3DX. Práce pojednává o řadě omezení rentgenové mikroskopie a předkládá jak analýzu těchto limitů, tak postupy pro jejich překonání. Zvolené téma je vysoce aktuální a plně koresponduje se současným vývojem v oblasti vysokorozlišovací rentgenové tomografie, nedestruktivního testování a pokročilých zobrazovacích technik. Důraz je kladen především na přímou praktickou využitelnost popsaných metod a postupů, z nichž většina již byla implementována do komerčního softwaru. Práce představuje hodnotný a mnohostranný přínos v oblasti tomografie a významně přispívá k dalšímu rozvoji metod rentgenové mikroskopie a výpočetní tomografie. Publikační činnost doktoranda odpovídá požadavkům kladeným na absolventa doktorského studia. Student je prvním autorem dvou vědeckých článků zaměřených na problematiku výpočetní tomografie a spoluautorem dalších sedmi vědeckých publikací. Výsledky své práce prezentoval na řadě mezinárodních konferencí formou přednášek, posterů a konferenčních příspěvků, na nichž se podílel jako hlavní autor nebo spoluautor. V průběhu obhajoby disertace student prokázal výborné znalosti ve zkoumané problematice. Na dotazy oponentů a členů komise odpověděl výborně. Na základě dosažených výsledků, publikační činnosti a odborné úrovně předložené disertační práce lze konstatovat, že student prokázal schopnost samostatné tvůrčí vědecké práce a splnil cíle doktorského studijního programu.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Advanced Materials and Nanosciences (CEITEC-AMN-CZ-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
doc. Mgr. Karel Novotný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Pořízka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D. (člen)
RNDr. Mgr. Peter Oberta, Ph.D. (člen)
Doc. Sascha Senck, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D.

viy posudek v pdf.
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 91,26 kB

Reviewer’s report
prof. Dr. Ing. Gabriel Herl

viy posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 2,44 MB

Reviewer’s report
Doc. Sascha Senck, Ph.D.

viy posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 418,40 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová