Птихография - Ptychography
Птихография (/ t (ʌ) ɪˈkogræfi / t (a) i-KO-graf-ee) - это вычислительный метод микроскопической визуализации . Он генерирует изображения путем обработки множества когерентных интерференционных картин , рассеянных от интересующего объекта. Его определяющей характеристикой является трансляционная инвариантность , что означает, что интерференционные картины создаются одной постоянной функцией (например, световым полем или диафрагмой ), перемещающейся в поперечном направлении на известную величину относительно другой постоянной функции (самого образца или волнового поля). ). Интерференционные картины возникают на некотором расстоянии от этих двух компонентов, так что рассеянные волны распространяются и «складываются» ( древнегреческий : πτύξ - «складка») друг в друга, как показано на рисунке.
Птихография может использоваться с видимым светом , рентгеновскими лучами , крайним ультрафиолетом (EUV) или электронами . В отличие от традиционной линзовой визуализации, на птихографию не влияют аберрации, вызванные линзой, или эффекты дифракции, вызванные ограниченной числовой апертурой . Это особенно важно для построения изображений с атомными длинами волн, где сложно и дорого сделать линзы хорошего качества с высокой числовой апертурой. Еще одним важным преимуществом этой техники является то, что она позволяет очень четко видеть прозрачные объекты. Это связано с тем, что он чувствителен к фазе излучения, прошедшего через образец, и поэтому он не зависит от объекта, поглощающего излучение. В случае биологической микроскопии в видимом свете это означает, что клетки не нужно окрашивать или маркировать для создания контраста.
Фаза восстановления
Хотя интерференционные картины, используемые в птихографии, можно измерить только по интенсивности , математические ограничения, обеспечиваемые трансляционной инвариантностью двух функций (освещения и объекта), вместе с известными сдвигами между ними, означают, что фаза волнового поля может быть восстановлена. с помощью обратного вычисления . Таким образом, птихография обеспечивает комплексное решение так называемой « фазовой проблемы ». Как только это будет достигнуто, вся информация, относящаяся к рассеянной волне ( модуль и фаза), будет восстановлена, и, таким образом, могут быть получены практически идеальные изображения объекта. Существуют различные стратегии для выполнения этого вычисления обратного восстановления фазы , включая прямую деконволюцию распределения Вигнера (WDD) и итерационные методы. Алгоритм карты различий, разработанный Тибо и его сотрудниками, доступен в загружаемом пакете под названием PtyPy .
Оптические конфигурации
Для птихографии существует множество оптических конфигураций: математически для этого требуются две инвариантные функции, которые перемещаются друг относительно друга, пока измеряется интерференционная картина, созданная произведением этих двух функций. Интерференционная картина может быть дифракционной картиной , дифракционной картиной Френеля или, в случае фурье-птихографии , изображением . «Ptycho» свертки в ptychographic изображения Фурье получены из импульсного отклика функции линзы .
Единая апертура
Это концептуально простейшая пихографическая схема. Детектор может быть либо длинный путь от объекта (то есть в дифракционной Fraunhofer плоскости ), или ближе к, в режиме Френеля. Преимущество режима Френеля состоит в том, что в центре дифракционной картины больше нет луча очень высокой интенсивности, который в противном случае мог бы насыщать там пиксели детектора .
Птихография с фокусированным зондом
Линза используется для создания плотного пересечения освещающего луча в плоскости образца. Конфигурация используется в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе (STEM) и часто в рентгеновской птихографии высокого разрешения . Образец иногда смещают вверх или вниз по потоку от кроссовера зонда, чтобы можно было увеличить размер пятна освещения, что требует меньшего количества дифракционных картин для сканирования широкого поля зрения .
Птихография ближнего поля
При этом используется широкое поле освещения. Для увеличения на образец падает расходящийся луч. На детектор проецируется расфокусированное изображение, которое выглядит как интерференционная картина Френеля. Освещение должно иметь фазовые искажения , часто создаваемые диффузором, который шифрует фазу падающей волны до того, как она достигнет образца, в противном случае изображение остается постоянным при перемещении образца, поэтому нет новой пихографической информации из одного положения в другое. следующий. В электронном микроскопе для отображения увеличенного изображения Френеля на детекторе можно использовать линзу.
Фурье-птихография
Обычный микроскоп используются с относительно небольшой числовой апертуры линзы объектива . Образец освещается под разными углами. Параллельные лучи, выходящие из образца, фокусируются в задней фокальной плоскости линзы объектива, что, следовательно, представляет собой дифракционную картину Фраунгофера выходной волны образца ( теорема Аббе ). Наклон освещения приводит к смещению дифракционной картины через апертуру объектива (которая также находится в задней фокальной плоскости). Теперь применяется стандартный принцип инвариантности к психологическому сдвигу, за исключением того, что дифракционная картина действует как объект, а упор задней фокальной плоскости действует как функция освещения в традиционной психографии. Изображение находится в плоскости дифракции Фраунгофера этих двух функций (еще одно следствие теории Аббе), как и в обычной птихографии. Единственное отличие состоит в том, что метод восстанавливает дифракционную картину, которая намного шире, чем ограничение диафрагмы. Чтобы получить изображение с высоким разрешением, необходимо выполнить окончательное преобразование Фурье . Все алгоритмы реконструкции, используемые в традиционной птихографии, применимы к фурье-птихографии, и, действительно, почти все разнообразные расширения традиционной птихографии были использованы в фурье-птихографии.
Визуализирующая птихография
Линза используется для создания обычного изображения. Отверстие в плоскости изображения действует аналогично освещению в традиционной птихографии, в то время как изображение соответствует образцу. Детектор расположен в плоскости дифракции Фраунгофера или Френеля после изображения и апертуры.
Птихография Брэгга или отражательная психография
Эта геометрия может быть использована либо для отображения элементов поверхности или для измерения деформации в кристаллических образцах . Сдвиги на поверхности образца или атомных плоскостях Брэгга, перпендикулярных поверхности, появляются в фазе психографического изображения.
Векторная птихография
Векторная птихография должна использоваться, когда мультипликативная модель взаимодействия между зондом и образцом не может быть описана скалярными величинами. Обычно это происходит, когда поляризованный свет исследует анизотропный образец и когда это взаимодействие изменяет состояние поляризации света. В этом случае взаимодействие должно описываться формализмом Джонса , где поле и объект описываются двухкомпонентным комплексным вектором и комплексной матрицей 2 × 2 соответственно. Оптическая конфигурация векторной птихографии аналогична оптической конфигурации классической (скалярной) птихографии, хотя контроль поляризации света (до и после образца) должен быть реализован в установке. Карты Джонса образцов могут быть восстановлены, что позволяет количественно оценить широкий спектр оптических свойств (фаза, двойное лучепреломление , ориентация нейтральных осей, диаттенуация и т. Д.). Подобно скалярной подпихографии, зонды, используемые для измерения, можно оценивать вместе с образцом. Как следствие, векторная птихография также представляет собой элегантный подход для количественной визуализации когерентных векторных световых пучков (смешивание волнового фронта и поляризационных характеристик).
Преимущества
Нечувствительность к линзам
Птихографию можно проводить вообще без использования линз, хотя в большинстве реализаций используются линзы того или иного типа, хотя бы для конденсации излучения на образце. Детектор может измерять большие углы рассеяния , которые не нужно пропускать через линзу. Таким образом, разрешение ограничено только максимальным углом рассеяния, который достигает детектора, что позволяет избежать эффектов дифракционного уширения из-за линзы с малой числовой апертурой или аберраций внутри линзы. Это ключевой момент в рентгеновской, электронной и EUV- птихографии, где изготовление обычных линз сложно и дорого.
Фаза изображения
Птихография решает для фазы , индуцированной вещественной частью этого показателя преломления образца, а также поглощение (The мнимой части показателя преломления). Это очень важно для просмотра прозрачных образцов, не обладающих значительным контрастом естественного поглощения, например биологических клеток (при длинах волн видимого света ), тонких образцов для электронной микроскопии с высоким разрешением и почти всех материалов при длинах волн жесткого рентгеновского излучения. В последнем случае ( линейный ) фазовый сигнал также идеален для рентгеновской птихографической томографии высокого разрешения . Сила и контраст фазового сигнала также означают, что для создания изображения требуется гораздо меньшее количество фотонов или электронов : это очень важно в электронной птихографии, где повреждение образца является серьезной проблемой, которую следует избегать любой ценой.
Терпимость к непоследовательности
В отличие от голографии , птихография использует сам объект как интерферометр . Не требует опорного луча . Хотя голография может решить проблему фазы изображения, ее очень сложно реализовать в электронном микроскопе, где опорный луч чрезвычайно чувствителен к магнитным помехам или другим источникам нестабильности. Вот почему птихография не ограничивается обычным «пределом информации» в традиционной электронной визуализации . Кроме того, пихографические данные достаточно разнообразны, чтобы устранить эффекты частичной когерентности , которые в противном случае повлияли бы на восстановленное изображение.
Самокалибровка
Набор психографических данных можно представить как проблему слепой деконволюции . Он обладает достаточным разнообразием для решения обеих движущихся функций (освещения и объекта), которые симметрично появляются в математике процесса инверсии. Теперь это обычно делается в любом психологическом эксперименте , даже если осветительная оптика ранее была хорошо охарактеризована. Разнесение также можно использовать для ретроспективного решения ошибок в смещениях двух функций, размытия при сканировании, неисправностей детектора, таких как отсутствие пикселей и т. Д.
Обращение многократного рассеяния
При обычном формировании изображений многократное рассеяние в толстом образце может серьезно усложнить или даже полностью свести на нет простую интерпретацию изображения. Это особенно верно при визуализации электронов (где многократное рассеяние называется « динамическим рассеянием »). И наоборот, птихография генерирует оценки сотен или тысяч выходных волн, каждая из которых содержит различную информацию о рассеянии. Это можно использовать для ретроспективного удаления эффектов множественного рассеяния.
Устойчивость к шуму
Количество подсчетов, необходимых для эксперимента по психографии, такое же, как и для обычного изображения, даже несмотря на то, что подсчеты распределены по очень большому количеству дифракционных картин. Это связано с тем, что к птихографии применяется фракционирование дозы. Для уменьшения влияния пуассоновского шума можно использовать методы максимального правдоподобия .
Приложения
Применения птихографии разнообразны, поскольку ее можно использовать с любым типом излучения, которое может быть подготовлено как квазимонохроматическая распространяющаяся волна.
Птихографические изображения, наряду с достижениями в области детекторов и вычислений, привели к развитию рентгеновских микроскопов. Когерентные пучки необходимы для получения дифракционных картин в дальней зоне со спекл-структурами. Когерентные рентгеновские пучки могут быть получены с помощью современных источников синхротронного излучения , лазеров на свободных электронах и источников высоких гармоник . Что касается рутинного анализа, сегодня наиболее часто используется рентгеновская птихотомография. Он был применен для решения многих проблем с материалами, включая, например, изучение красок , химический состав аккумуляторов , формирование изображений многослойных слоев тандемных солнечных элементов и динамику разрушения . В рентгеновском режиме птихография также использовалась для получения 3D-карты неупорядоченной структуры белого Cyphochilus (жука) и 2D-изображения доменной структуры в объемном гетеропереходе для полимерных солнечных элементов.
Психография в видимом свете используется для визуализации живых биологических клеток и изучения их роста, размножения и подвижности. В векторной версии его также можно использовать для отображения количественных оптических свойств анизотропных материалов, таких как биоминералы или метаповерхности.
Электронная пихография уникальна (среди других режимов электронного изображения ) чувствительна как к тяжелым, так и к легким атомам одновременно. Он использовался, например, при изучении механизмов доставки лекарств в наноструктурах путем изучения молекул лекарства, окрашенных тяжелыми атомами в клетках легких углеродных нанотрубок . С помощью электронных лучей электроны с более короткой длиной волны и большей энергией, используемые для визуализации с более высоким разрешением, могут вызвать повреждение образца, ионизируя его и разрывая связи, но электронно-лучевая птихография теперь дает рекордные изображения дисульфида молибдена с разрешением 0,039 нм с использованием электронного пучка с меньшей энергией и детекторов, способных обнаруживать одиночные электроны, поэтому атомы могут быть обнаружены с большей точностью.
Птихография имеет несколько применений в полупроводниковой промышленности, в том числе отображение их поверхностей с помощью EUV , трехмерной объемной структуры с использованием рентгеновских лучей и отображение полей деформации с помощью брэгговской птихографии, например, в нанопроволоках .
Дифракционная картина пучка рентгеновских лучей, проходящего через неподвижный кристалл. Точки - области конструктивного вмешательства; атомную структуру кристалла можно определить по образцу. В птихографии образец (который не обязательно должен быть кристаллическим) последовательно перемещается через луч, создавая ряд дифракционных картин.
Птихограмма в видимом свете мишени USAF с оптическим разрешением, сделанная с использованием точечной апертуры в куске картона. На графиках оттенок представляет фазу, а модуль представляет собой яркость. (а) показано одиночное изображение со сложной дифракционной деталью. (b) показывает компьютерную версию (a). (c) показывает результат объединенных компьютерно-обработанных дифракционных данных после сканирования всего образца.
Рентгеновская птихография на малоугловом луче рассеяния синхротрона . Этот рентгеновский пихограф зонной пластины показывает данные светимости на изображении (а) и фазовые данные на изображении (b). Вставки I, II и III из (b) показаны в (i), (j) и (k) соответственно, как обработано в 2015 г .; они демонстрируют явное улучшение разрешения по сравнению с алгоритмами, использованными в 2008 году, показанными в (l), (m) и (n).
История
Начало в кристаллографии
Название «птихография» было придумано Хегерлем и Хоппе в 1970 году, чтобы описать решение кристаллографической фазовой проблемы, впервые предложенное Хоппе в 1969 году. Идея требовала, чтобы образец был строго упорядочен ( кристалл ) и освещался точно спроектированным волна так, что только две пары дифракционных пиков интерферируют друг с другом одновременно. Сдвиг освещения изменяет условие интерференции (по теореме о сдвиге Фурье ). Эти два измерения могут использоваться для определения относительной фазы между двумя дифракционными пиками путем устранения комплексно-сопряженной неоднозначности , которая в противном случае существовала бы. Хотя идея заключает в себе основную концепцию интерференции сверткой (ptycho) и трансляционной инвариантности, кристаллическая ptychography не может использоваться для визуализации непрерывных объектов, потому что очень много (до миллионов) лучей интерферируют одновременно, и поэтому разности фаз неразлучны. Хоппе отказался от своей концепции птихографии в 1973 году.
Развитие методов инверсии
В период с 1989 по 2007 год Роденбург и его сотрудники разработали различные методы инверсии для общей проблемы фазографической визуализации, включая деконволюцию распределения Вигнера (WDD), SSB, итерационный метод «PIE» (предшественник алгоритма «ePIE»), демонстрирующий доказательство принципов на различных длинах волн. Чепмен использовал метод инверсии WDD, чтобы продемонстрировать первую реализацию рентгеновской птихографии в 1996 году. Небольшие размеры компьютеров и низкое качество детекторов в то время могут объяснить тот факт, что птихография сначала не использовалась другими специалистами.
Общее восприятие
Повсеместное интерес птихографии только началась после первой демонстрации итерационного фазового поиска рентгеновского птихография в 2007 году в швейцарском Источнике света (SLS). В то время прогресс в области рентгеновских волн был быстрым. К 2010 году SLS разработала рентгеновскую птихотомографию, которая в настоящее время является основным применением этого метода. Тибо, также работающий в SLS, разработал алгоритм итеративной инверсии карты разностей (DM) и смешанную птихографию. С 2010 года несколько групп разработали возможности психографии для определения характеристик и улучшения отражающей и рефракционной рентгеновской оптики . Брэгга птихография, для измерения напряжения в кристаллах , было продемонстрировано Hruszkewycz в 2012 году В 2012 году было также показано , что электронная птихография может улучшить на разрешение в качестве электронной линзы с коэффициентом пять, метод , который был использован в 2018 году , чтобы обеспечить высшее разрешение передача изображения когда - либо полученное заработав мировой рекорд Гиннесса , и еще раз в 2021 году , чтобы достичь еще более высокого разрешения. В реальном пространстве свет птихография стала доступна в коммерческой системе для живых клеток в 2013. Фурье птихография с использованием итерационных методов была также продемонстрирована в Чжэне и др. al. в 2013 году, область, которая быстро растет. Группа Маргарет Мурнэйн и Генри Каптейна из JILA , CU Boulder продемонстрировала EUV-отражательную психографическую визуализацию в 2014 году.
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- Исследователи из Корнелла видят атомы с рекордным разрешением , Cornell.edu, 20 мая 2021 г.