Ptychografi
Ptychography (/t(ʌ)ɪˈkogræfi/t(a)i-KO-graf-ee [ citat behövs ] ) är en beräkningsmetod för mikroskopisk avbildning . Den genererar bilder genom att bearbeta många koherenta interferensmönster som har spridits från ett objekt av intresse. Dess definierande egenskap är translationell invarians , vilket innebär att interferensmönstren genereras av en konstant funktion (t.ex. ett belysningsfält eller ett bländarstopp ) som rör sig i sidled med en känd mängd med avseende på en annan konstant funktion (provet självt eller ett vågfält ). Interferensmönstren uppstår en bit bort från dessa två komponenter, så att de spridda vågorna sprider sig och "viker sig" ( forngrekiska : πτύξ är 'vik') in i varandra som visas i figuren.
Ptykografi kan användas med synligt ljus , röntgenstrålar , extrem ultraviolett (EUV) eller elektroner . Till skillnad från konventionell linsavbildning påverkas ptykografi opåverkad av linsinducerade aberrationer eller diffraktionseffekter orsakade av begränsad numerisk bländare [ citat behövs ] . Detta är särskilt viktigt för våglängdsavbildning i atomskala, där det är svårt och dyrt att göra objektiv av god kvalitet med hög numerisk bländare. En annan viktig fördel med tekniken är att den gör att genomskinliga föremål kan ses mycket tydligt. Detta beror på att det är känsligt för fasen av strålningen som har passerat genom ett prov, och därför är det inte beroende av att föremålet absorberar strålning. När det gäller biologisk mikroskopi med synligt ljus innebär detta att celler inte behöver färgas eller märkas för att skapa kontrast.
Fas återhämtning
Även om interferensmönstren som används i ptychografi endast kan mätas i intensitet , innebär de matematiska begränsningarna som tillhandahålls av den translationella invariansen av de två funktionerna (belysning och objekt), tillsammans med de kända skiftningarna mellan dem, att vågfältets fas kan återställas genom en omvänd beräkning . Ptykografi ger alltså en heltäckande lösning på det så kallade " fasproblemet ". När detta väl har uppnåtts har all information relaterad till den spridda vågen ( modul och fas) återvunnits, och så gott som perfekta bilder av objektet kan erhållas. Det finns olika strategier för att utföra denna av inversfashämtning , inklusive direkt Wigner-distributionsdekonvolution (WDD) och iterativa metoder. Skillnadskartalgoritmen utvecklad av Thibault och medarbetare finns i ett nedladdningsbart paket som heter PtyPy .
Optiska konfigurationer
Det finns många optiska konfigurationer för ptykografi: matematiskt kräver det två invarianta funktioner som rör sig över varandra medan ett interferensmönster som genereras av produkten av de två funktionerna mäts. Interferensmönstret kan vara ett diffraktionsmönster , ett Fresnel-diffraktionsmönster eller, i fallet med Fourier-ptykografi , en bild . "Ptycho" -falsningen i en Fourier - ptykografisk bild härledd från linsens impulssvarsfunktion .
Den enda bländaren
Detta är begreppsmässigt det enklaste ptychographical arrangemanget. Detektorn kan antingen vara långt från objektet (dvs. i Fraunhofer-diffraktionsplanet ) , eller närmare, i Fresnel-regimen . En fördel med Fresnel-regimen är att det inte längre finns en mycket högintensiv stråle i mitten av diffraktionsmönstret, som annars kan mätta detektorpixlarna där .
Fokuserad sond ptykografi
En lins används för att bilda en tät korsning av belysningsstrålen i provets plan. Konfigurationen används i sveptransmissionselektronmikroskopet (STEM) och ofta i högupplöst röntgenptykografi . Provet flyttas ibland upp eller nedströms om sondens korsning så att storleken på belysningsfläcken kan ökas, vilket kräver färre diffraktionsmönster för att skanna ett brett synfält .
Närfälts-ptykografi
Detta använder ett brett fält av belysning. För att ge förstoring infaller en divergerande stråle på provet. En ofokuserad bild, som visas som ett Fresnel-interferensmönster, projiceras på detektorn. Belysningen måste ha fasförvrängningar i sig, ofta tillhandahållen av en diffusor som förvränger fasen för den infallande vågen innan den når provet, annars förblir bilden konstant när provet flyttas, så det finns ingen ny ptykografisk information från en position till nästa. I elektronmikroskopet kan en lins användas för att kartlägga den förstorade Fresnel-bilden på detektorn.
Fourier ptychografi
Ett konventionellt mikroskop används med ett objektiv med relativt liten numerisk bländare . Provet belyses från en rad olika vinklar. Parallella strålar som kommer ut ur provet fokuseras i det bakre fokalplanet av objektivlinsen, vilket därför är ett Fraunhofer-diffraktionsmönster för provets utgångsvåg ( Abbes sats). Att luta belysningen har effekten att skifta diffraktionsmönstret över objektivets bländare (som också ligger i det bakre fokalplanet). Nu gäller den vanliga ptychographical shift-invariansprincipen, förutom att diffraktionsmönstret fungerar som objektet och det bakre fokalplansstoppet fungerar som belysningsfunktionen i konventionell ptykografi. Bilden är i Fraunhofer-diffraktionsplanet för dessa två funktioner (en annan konsekvens av Abbes teori), precis som i konventionell ptykografi. Den enda skillnaden är att metoden rekonstruerar diffraktionsmönstret, som är mycket bredare än bländarstoppsbegränsningen. En sista Fouriertransform måste utföras för att producera den högupplösta bilden. Alla rekonstruktionsalgoritmer som används i konventionell ptykografi är tillämpliga på Fourier-ptykografi, och faktiskt har nästan alla olika tillägg av konventionell ptykografi använts i Fourier-ptykografi.
Imaging ptychography
En lins används för att göra en konventionell bild. En bländare i bildplanet verkar likvärdigt med belysningen i konventionell ptychografi, medan bilden motsvarar provet. Detektorn ligger i Fraunhofer- eller Fresnel-diffraktionsplanet nedströms om bilden och bländaren.
Bragg ptychography eller reflektion ptychography
Denna geometri kan användas antingen för att kartlägga ytegenskaper eller för att mäta töjning i kristallina prover . Förskjutningar i provets yta, eller de atomära Bragg-planen vinkelrätt mot ytan, uppträder i fasen av den ptykografiska bilden.
Vektorptykografi
Vektorptykografi måste anropas när den multiplikativa modellen av interaktionen mellan sonden och provet inte kan beskrivas med skalära kvantiteter. Detta händer vanligtvis när polariserat ljus sonderar ett anisotropt prov, och när denna interaktion modifierar ljusets polariseringstillstånd. I så fall behöver interaktionen beskrivas av Jones-formalismen , där fält och objekt beskrivs av en tvåkomponentskomplexvektor respektive en 2×2-komplexmatris. Den optiska konfigurationen för vektorptykografi liknar den för klassisk (skalär) ptykografi, även om en kontroll av ljuspolarisering (före och efter provet) måste implementeras i installationen. Jones kartor över proverna kan hämtas, vilket gör det möjligt att kvantifiera ett brett spektrum av optiska egenskaper (fas, dubbelbrytning , orientering av neutrala axlar, diattenuering , etc.). I likhet med skalär ptykografi kan sonderna som används för mätningen uppskattas tillsammans med provet. Som en konsekvens är vektorptykografi också ett elegant tillvägagångssätt för kvantitativ avbildning av koherenta vektoriella ljusstrålar (blandning av vågfronts- och polarisationsegenskaper).
Fördelar
Okänslig objektiv
Ptychografi kan utföras utan att använda några linser alls, även om de flesta implementeringar använder en lins av någon typ, om så bara för att kondensera strålning på provet. Detektorn kan mäta höga spridningsvinklar som inte behöver passera genom en lins. Upplösningen begränsas därför endast av den maximala spridningsvinkeln som når detektorn och undviker därför effekterna av diffraktionsbreddning på grund av en lins med liten numerisk bländare eller aberrationer i linsen. Detta är nyckeln i röntgen-, elektron- och EUV- ptykografi, där konventionella linser är svåra och dyra att tillverka.
Bildfas
Ptykografi löser den fas som induceras av den reella delen av provets brytningsindex , såväl som absorption (den imaginära delen av brytningsindexet). Detta är avgörande för att se genomskinliga prover som inte har signifikant naturlig absorptionskontrast, till exempel biologiska celler (vid synligt ljusvåglängder ) , tunna högupplösta elektronmikroskopiprover och nästan allt material vid hårda röntgenvåglängder . I det senare fallet är den ( linjära ) fassignalen också idealisk för högupplöst röntgenptykografisk tomografi . Fassignalens styrka och kontrast innebär också att mycket färre foton- eller elektronantal behövs för att göra en bild : detta är mycket viktigt i elektronptykografi, där skador på provet är en viktig fråga som till varje pris måste undvikas.
Tolerans mot inkoherens
Till skillnad från holografi använder ptykografi själva objektet som en interferometer . Den kräver ingen referensstråle . Även om holografi kan lösa bildfasproblemet är det mycket svårt att implementera i elektronmikroskopet, där referensstrålen är extremt känslig för magnetisk interferens eller andra källor till instabilitet. Det är därför ptykografi inte begränsas av den konventionella "informationsgränsen" vid konventionell elektronavbildning . Dessutom är ptykografiska data tillräckligt olika för att ta bort effekterna av partiell koherens som annars skulle påverka den rekonstruerade bilden.
Självkalibrering
Den ptykografiska datamängden kan utgöra ett blindt dekonvolutionsproblem . Den har tillräcklig mångfald för att lösa både de rörliga funktionerna (belysning och objekt), som uppträder symmetriskt i inversionsprocessens matematik. Detta görs nu rutinmässigt i alla ptykografiska experiment , även om belysningsoptiken tidigare har varit väl karaktäriserad. Mångfald kan också användas för att i efterhand lösa fel i förskjutningarna av de två funktionerna, suddighet i skanningen, detektorfel, som saknade pixlar, etc.
Inversion av multipel spridning
Vid konventionell bildbehandling kan multipel spridning i ett tjockt prov allvarligt komplicera, eller till och med helt ogiltigförklara, enkel tolkning av en bild. Detta gäller särskilt vid elektronavbildning (där multipel spridning kallas " dynamisk spridning "). Omvänt genererar ptykografi uppskattningar av hundratals eller tusentals utgångsvågor, som var och en innehåller olika spridningsinformation. Detta kan användas för att i efterhand ta bort flera spridningseffekter.
Robusthet mot buller
Antalet räkningar som krävs för ett ptykografiexperiment är detsamma som för en konventionell bild, även om räkningarna är fördelade över väldigt många diffraktionsmönster. Detta beror på att dosfraktionering gäller ptykografi. Maximal-likelihood-metoder kan användas för att minska effekterna av Poisson-brus .
Ansökningar
Tillämpningar av ptychografi är olika eftersom den kan användas med vilken typ av strålning som helst som kan förberedas som en kvasi-monokromatisk utbredningsvåg.
Ptykografisk avbildning, tillsammans med framsteg inom detektorer och beräkningar, har resulterat i utvecklingen av röntgenmikroskop. Koherenta strålar krävs för att erhålla fjärrfältsdiffraktionsmönster med fläckmönster. Koherenta röntgenstrålar kan produceras av moderna synkrotronstrålningskällor , frielektronlasrar och högharmoniska källor. När det gäller rutinanalys är röntgenptykotomografi idag den mest använda tekniken. Det har tillämpats på många materialproblem inklusive, till exempel , studiet av färg , avbildning av batterikemi , avbildning av staplade lager av tandemsolceller och frakturdynamiken . I röntgenregimen har ptykografi också använts för att erhålla en 3D-kartläggning av den oordnade strukturen i den vita Cyphochilus -baggen, och en 2D-avbildning av domänstrukturen i en bulk heterojunction för polymersolceller.
med synligt ljus har använts för att avbilda levande biologiska celler och studera deras tillväxt, reproduktion och rörlighet. I sin vektorversion kan den också användas för att kartlägga kvantitativa optiska egenskaper hos anisotropa material som biomineraler eller metasytor
Elektronptykografi är unikt (bland andra elektronavbildningslägen ) känslig för både tunga och lätta atomer samtidigt. Det har till exempel använts i studien av läkemedelsleveransmekanismer med nanostruktur genom att titta på läkemedelsmolekyler som färgats av tunga atomer i burar med lätta kolnanorör . Med elektronstrålar kan kortare våglängder och högre energielektroner som används för högupplöst avbildning orsaka skada på provet genom att jonisera det och bryta bindningar, men elektronstråleptykografi har nu producerat rekordstora bilder av molybdendisulfid med en upplösning på 0,039 nm med hjälp av en elektronstråle med lägre energi och detektorer som kan detektera enstaka elektroner, så atomer kan lokaliseras med mer precision.
Ptychography har flera tillämpningar inom halvledarindustrin , inklusive avbildning av deras ytor med EUV , deras 3D-bulkstruktur med röntgenstrålar och kartläggning av töjningsfält med Bragg-ptykografi, till exempel i nanotrådar .
Diffraktionsmönstret för en stråle av röntgenstrålar som passerar genom en stationär kristall. Prickarna är områden med konstruktiv interferens; kristallens atomstruktur kan utarbetas från mönstret. I ptykografi flyttas ett prov (som inte behöver vara kristallint) sekventiellt genom strålen, vilket skapar en rad diffraktionsmönster.
En ptykograf för synligt ljus av ett USAF- mål för optisk upplösning, gjord med en pinhole-öppning i en bit kartong. I graferna representerar nyansen fasen och modulen representerar luminansen. (a) visar en enda bild med komplexa diffraktionsdetaljer. (b) visar den datorbehandlade versionen av (a). (c) visar resultatet från kombinerade datorbehandlade diffraktionsdata efter att hela provet skannats.
Röntgenptykografi vid en liten vinkelspridningsstrållinje av en synkrotron . Denna röntgenptykograf av en zonplatta visar luminositetsdata i bild (a) och fasdata i bild (b). Insättningarna I, II och III från (b) visas i (i), (j) respektive (k) som bearbetades 2015; de visar en tydlig förbättring i upplösning jämfört med de algoritmer som användes under 2008 som visas i (l), (m) och (n).
Historia
Början i kristallografi
Namnet "ptychography" myntades av Hegerl och Hoppe 1970 för att beskriva en lösning på det kristallografiska fasproblemet som först föreslogs av Hoppe 1969. Idén krävde att exemplaret skulle vara högst beställt (en kristall ) och att belysas av en exakt konstruerad våg så att endast två par diffraktionstoppar interfererar med varandra åt gången. En förskjutning i belysningen ändrar interferensvillkoret (genom Fourierskiftsatsen ) . De två mätningarna kan användas för att lösa den relativa fasen mellan de två diffraktionstopparna genom att bryta en komplex-konjugat tvetydighet som annars skulle existera. Även om idén kapslar in det underliggande konceptet med interferens genom faltning (ptycho) och translationell invarians, kan kristallin ptykografi inte användas för avbildning av kontinuerliga objekt, eftersom väldigt många (upp till miljoner) strålar interfererar samtidigt, och så fasskillnaderna är oskiljaktiga. Hoppe övergav sitt koncept med ptychografi 1973.
Utveckling av inversionsmetoder
Mellan 1989 och 2007 utvecklade Rodenburg och kollegor olika inversionsmetoder för det allmänna bildptykografiska fasproblemet, inklusive Wigner-distribution deconvolution (WDD), SSB, den iterativa "PIE"-metoden (en föregångare till "ePIE"-algoritmen), som demonstrerar principbevis vid olika våglängder. Chapman använde WDD-inversionsmetoden för att demonstrera den första implementeringen av röntgenptykografi 1996. Små datorer och dålig kvalitet på detektorer vid den tiden kan förklara det faktum att ptykografi först inte togs upp av andra arbetare.
Allmänt upptag
Ett utbrett intresse för ptychografi började först efter den första demonstrationen av iterativ fasåtervinningsröntgenptykografi 2007 vid den schweiziska ljuskällan ( SLS) . Framstegen vid röntgenvåglängder var då snabba. År 2010 hade SLS utvecklat röntgenptykotomografi, nu en viktig tillämpning av tekniken. Thibault, som också arbetar på SLS, utvecklade den iterativa inversionsalgoritmen för differenskarta (DM) och ptykografi med blandade tillstånd. Sedan 2010 har flera grupper utvecklat ptykografins förmåga att karakterisera och förbättra reflekterande och refraktiv röntgenoptik . Bragg-ptychography, för att mäta töjning i kristaller , demonstrerades av Hruszkewycz 2012. 2012 visades också att elektronptychography kunde förbättra upplösningen av en elektronlins med en faktor på fem, en metod som användes 2018 för att tillhandahålla överföringsbild med den högsta upplösningen som någonsin erhållits och tjänade ett Guinness världsrekord, och återigen 2021 för att uppnå en ännu bättre upplösning. Real-space light ptychography blev tillgänglig i ett kommersiellt system för live-cell imaging 2013. Fourier ptychography med iterativa metoder demonstrerades också av Zheng et al. 2013, ett område som växer snabbt. Gruppen Margaret Murnane och Henry Kapteyn vid JILA , CU Boulder demonstrerade EUV-reflektion ptychographic imaging 2014.
Se även
externa länkar
- Cornell-forskare ser atomer med rekordupplösning , cornell.edu den 20 maj 2021