Ptychografia
Ptychografia (/ t (ʌ) ɪˈkogræfi/ t (a) i-KO-graf-ee [ potrzebne źródło ] ) to metoda obliczeniowa obrazowania mikroskopowego . Generuje obrazy, przetwarzając wiele spójnych wzorców interferencji , które zostały rozproszone od obiektu zainteresowania. Jego cechą charakterystyczną jest niezmienność translacyjna , co oznacza, że wzory interferencyjne są generowane przez jedną stałą funkcję (np. pole oświetlenia lub przysłonę ) poruszającą się poprzecznie o znaną wartość w odniesieniu do innej stałej funkcji (sama próbka lub pole falowe). Wzorce interferencji występują w pewnej odległości od tych dwóch elementów, tak że rozproszone fale rozprzestrzeniają się i „składają” ( starogrecki : πτύξ oznacza „składanie”), jak pokazano na rysunku.
Ptychografia może być używana ze światłem widzialnym , promieniowaniem rentgenowskim , skrajnym ultrafioletem (EUV) lub elektronami . W przeciwieństwie do konwencjonalnego obrazowania soczewkowego, na ptychografię nie mają wpływu aberracje soczewkowe ani efekty dyfrakcyjne spowodowane ograniczoną aperturą numeryczną [ potrzebne źródło ] . Jest to szczególnie ważne w przypadku obrazowania długości fal w skali atomowej, gdzie wykonanie dobrej jakości soczewek o dużej aperturze numerycznej jest trudne i kosztowne. Inną ważną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia bardzo wyraźne widzenie przezroczystych obiektów. Dzieje się tak, ponieważ jest wrażliwy na fazę promieniowania, które przeszło przez próbkę, a więc nie polega na pochłanianiu promieniowania przez obiekt. W przypadku mikroskopii biologicznej w świetle widzialnym oznacza to, że komórki nie muszą być barwione ani znakowane, aby uzyskać kontrast.
Odzyskiwanie fazy
Chociaż wzorce interferencji stosowane w ptychografii można mierzyć jedynie pod względem intensywności , ograniczenia matematyczne zapewniane przez translacyjną niezmienność dwóch funkcji (oświetlenia i obiektu), wraz ze znanymi przesunięciami między nimi, oznaczają, że można odzyskać fazę pola falowego przez obliczenie odwrotne . Ptychografia zapewnia więc kompleksowe rozwiązanie tak zwanego „ problemu fazowego ”. Gdy to zostanie osiągnięte, wszystkie informacje dotyczące fali rozproszonej ( moduł i faza) została odzyskana, dzięki czemu można uzyskać praktycznie doskonałe obrazy obiektu. Istnieją różne strategie wykonywania obliczeń odwrotnego odzyskiwania fazy , w tym bezpośrednia dekonwolucja rozkładu Wignera (WDD) i metody iteracyjne. Algorytm mapy różnic opracowany przez Thibaulta i współpracowników jest dostępny w pakiecie do pobrania o nazwie PtyPy .
Konfiguracje optyczne
Istnieje wiele konfiguracji optycznych ptychografii: matematycznie wymaga to dwóch niezmiennych funkcji , które poruszają się względem siebie, podczas gdy mierzony jest wzór interferencji generowany przez iloczyn dwóch funkcji. Obrazem interferencyjnym może być obraz dyfrakcyjny , obraz dyfrakcyjny Fresnela lub, w przypadku ptychografii Fouriera , obraz . Splot „ptycho” w obrazie ptychograficznym Fouriera wywodzącym się z funkcji odpowiedzi impulsowej soczewki .
Pojedynczy otwór
Jest to koncepcyjnie najprostszy układ ptychograficzny. Detektor może znajdować się albo daleko od obiektu (tj. w płaszczyźnie dyfrakcji Fraunhofera ), albo bliżej, w reżimie Fresnela . Zaletą reżimu Fresnela jest to, że w środku obrazu dyfrakcyjnego nie ma już wiązki o bardzo dużym natężeniu, która w przeciwnym razie mogłaby nasycić tam piksele detektora.
Ptychografia ze zogniskowaną sondą
Soczewka służy do utworzenia ciasnego skrzyżowania wiązki oświetlającej w płaszczyźnie próbki. Konfiguracja jest używana w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym (STEM) i często w ptychografii rentgenowskiej o wysokiej rozdzielczości . Próbka jest czasami przesuwana w górę lub w dół od skrzyżowania sondy, aby umożliwić zwiększenie rozmiaru plamki oświetlenia, co wymaga mniejszej liczby wzorów dyfrakcyjnych do skanowania szerokiego pola widzenia .
Ptychografia bliskiego pola
Wykorzystuje to szerokie pole oświetlenia. Aby zapewnić powiększenie , na próbkę pada rozbieżna wiązka. Nieostry jest wyświetlany na detektorze. Oświetlenie musi mieć zniekształcenia fazowe , często zapewniane przez dyfuzor , który miesza fazę padającej fali, zanim dotrze do próbki, w przeciwnym razie obraz pozostaje stały podczas przesuwania próbki, więc nie ma nowych informacji ptychograficznych z jednej pozycji do Następny. W mikroskopie elektronowym , soczewka może być użyta do odwzorowania powiększonego obrazu Fresnela na detektorze.
Ptychografia Fouriera
Konwencjonalny mikroskop jest używany z obiektywem o stosunkowo małej aperturze numerycznej . Próbka jest oświetlana z szeregu różnych kątów. Równoległe wiązki wychodzące z preparatu są skupiane w tylnej płaszczyźnie ogniskowej soczewki obiektywu, co stanowi zatem wzór dyfrakcyjny Fraunhofera fali wyjściowej preparatu ( twierdzenie Abbego) . Pochylenie oświetlenia powoduje przesunięcie obrazu dyfrakcyjnego na aperturze obiektywu (która również leży w tylnej płaszczyźnie ogniskowej). Teraz obowiązuje standardowa zasada niezmienności przesunięcia ptychograficznego, z wyjątkiem tego, że wzór dyfrakcyjny działa jak obiekt, a przesłona tylnej płaszczyzny ogniskowej działa jak funkcja oświetlenia w konwencjonalnej ptychografii. Obraz znajduje się w płaszczyźnie dyfrakcji Fraunhofera tych dwóch funkcji (kolejna konsekwencja teorii Abbego), podobnie jak w konwencjonalnej ptychografii. Jedyna różnica polega na tym, że metoda rekonstruuje obraz dyfrakcyjny, który jest znacznie szerszy niż ograniczenie przysłony. Ostateczna transformata Fouriera musi zostać przeprowadzona w celu wytworzenia o wysokiej rozdzielczości . Wszystkie algorytmy rekonstrukcji stosowane w konwencjonalnej ptychografii mają zastosowanie do ptychografii Fouriera i rzeczywiście prawie wszystkie różnorodne rozszerzenia konwencjonalnej ptychografii zostały użyte w ptychografii Fouriera.
Ptychografia obrazowa
Obiektyw służy do wykonania konwencjonalnego obrazu. Apertura w płaszczyźnie obrazu działa równoważnie z oświetleniem w konwencjonalnej ptychografii, podczas gdy obraz odpowiada okazowi. Detektor leży w płaszczyźnie dyfrakcji Fraunhofera lub Fresnela za obrazem i aperturą.
Ptychografia Bragga lub ptychografia refleksyjna
Ta geometria może być wykorzystana do mapowania cech powierzchni lub do pomiaru naprężeń w próbkach krystalicznych . W fazie obrazu ptychograficznego pojawiają się przesunięcia powierzchni próbki, czyli atomowe płaszczyzny Bragga prostopadłe do powierzchni.
Ptychografia wektorowa
Ptychografię wektorową należy przywoływać, gdy multiplikatywnego modelu interakcji między sondą a próbką nie można opisać za pomocą wielkości skalarnych. Dzieje się tak zwykle, gdy światło spolaryzowane sonduje próbkę anizotropową i gdy ta interakcja modyfikuje stan polaryzacji światła. W takim przypadku interakcję należy opisać formalizmem Jonesa , gdzie pole i obiekt są opisane odpowiednio przez dwuskładnikowy wektor zespolony i macierz zespoloną 2 × 2. Konfiguracja optyczna dla ptychografii wektorowej jest podobna do konfiguracji klasycznej (skalarnej) ptychografii, chociaż w konfiguracji należy zaimplementować kontrolę polaryzacji światła (przed i po próbce). Można pobrać mapy Jonesa próbek, co pozwala na ilościowe określenie szerokiego zakresu właściwości optycznych (faza, dwójłomność , orientacja osi neutralnych, rozmycie itp.). Podobnie jak w przypadku ptychografii skalarnej, sondy użyte do pomiaru można oszacować łącznie z preparatem. W konsekwencji ptychografia wektorowa jest również eleganckim podejściem do ilościowego obrazowania spójnych wektorowych wiązek światła (mieszanie cech czoła fali i polaryzacji).
Zalety
Obiektyw niewrażliwy
Ptychografię można wykonać bez użycia jakichkolwiek soczewek, chociaż większość implementacji wykorzystuje soczewkę pewnego rodzaju, choćby po to, aby skondensować promieniowanie na próbce. Detektor może mierzyć wysokie kąty rozproszenia , które nie muszą przechodzić przez soczewkę. Rozdzielczość unika się efektów poszerzenia dyfrakcji spowodowanego soczewką o małej aperturze numerycznej lub aberracji w soczewce. Jest to kluczowe w promieniowaniu rentgenowskim, elektronach i EUV ptychografia, gdzie konwencjonalne soczewki są trudne i drogie w wykonaniu.
Faza obrazu
Ptychografia rozwiązuje fazę indukowaną przez rzeczywistą część współczynnika załamania próbki, a także absorpcję ( część urojoną współczynnika załamania). Ma to kluczowe znaczenie dla oglądania przezroczystych próbek, które nie mają znaczącego naturalnego kontrastu absorpcji, na przykład komórek biologicznych (przy długościach fal światła widzialnego ), cienkich próbek mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości i prawie wszystkich materiałów przy długości fal twardego promieniowania rentgenowskiego . W tym drugim przypadku ( liniowy ) sygnał fazowy jest również idealny do rentgenowskiej tomografii ptychograficznej o wysokiej rozdzielczości . Siła i kontrast sygnału fazowego oznaczają również, że do wykonania obrazu potrzeba znacznie mniejszej liczby fotonów lub elektronów : jest to bardzo ważne w ptychografii elektronowej, gdzie uszkodzenie próbki jest głównym problemem, którego należy unikać za wszelką cenę.
Tolerancja dla niespójności
W przeciwieństwie do holografii , ptychografia wykorzystuje sam obiekt jako interferometr . Nie wymaga wiązki odniesienia . Chociaż holografia może rozwiązać problem fazy obrazu, jest bardzo trudna do wdrożenia w mikroskopie elektronowym, gdzie wiązka odniesienia jest niezwykle wrażliwa na zakłócenia magnetyczne lub inne źródła niestabilności. Właśnie dlatego ptychografia nie jest ograniczona konwencjonalną „granicą informacji” w konwencjonalnym obrazowaniu elektronowym . Ponadto dane ptychograficzne są wystarczająco zróżnicowane, aby wyeliminować skutki częściowej spójności które w przeciwnym razie wpłynęłyby na zrekonstruowany obraz.
Samokalibracja
Zbiór danych ptychograficznych można przedstawić jako problem ślepej dekonwolucji . Ma wystarczającą różnorodność, aby rozwiązać obie funkcje ruchu (oświetlenie i obiekt), które pojawiają się symetrycznie w matematyce procesu inwersji. Jest to obecnie rutynowo wykonywane w każdym eksperymencie ptychograficznym , nawet jeśli optyka oświetlenia została wcześniej dobrze scharakteryzowana. Różnorodność może być również wykorzystana do retrospektywnego rozwiązywania błędów w przesunięciach dwóch funkcji, rozmycia w skanie, błędów detektora, takich jak brakujące piksele itp.
Odwrócenie rozpraszania wielokrotnego
W konwencjonalnym obrazowaniu wielokrotne rozpraszanie w grubej próbce może poważnie skomplikować, a nawet całkowicie unieważnić prostą interpretację obrazu. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku obrazowania elektronów (gdzie wielokrotne rozpraszanie nazywane jest „ rozpraszaniem dynamicznym ”). I odwrotnie, ptychografia generuje szacunki setek lub tysięcy fal wyjściowych, z których każda zawiera różne informacje o rozpraszaniu. Można to wykorzystać do retrospektywnego usunięcia wielu efektów rozpraszania.
Odporność na hałas
Liczba zliczeń wymaganych do eksperymentu ptychograficznego jest taka sama jak w przypadku konwencjonalnego obrazu, mimo że zliczenia są rozłożone na bardzo wiele wzorów dyfrakcyjnych. Dzieje się tak, ponieważ frakcjonowanie dawki dotyczy ptychografii. W celu zmniejszenia skutków szumu Poissona można zastosować metody największej wiarygodności .
Aplikacje
Zastosowania ptychografii są różnorodne, ponieważ można jej używać z każdym rodzajem promieniowania, które można przygotować jako quasi-monochromatyczną falę propagacyjną.
Obrazowanie ptychograficzne wraz z postępem w detektorach i komputerach zaowocowało rozwojem mikroskopów rentgenowskich. Spójne wiązki są wymagane w celu uzyskania dyfrakcji dalekiego pola z wzorami plamek. Spójne wiązki promieniowania rentgenowskiego mogą być wytwarzane przez nowoczesne promieniowania synchrotronowego , lasery na swobodnych elektronach i źródła wysokoharmoniczne . W rutynowej analizie ptychotomografia rentgenowska jest obecnie najczęściej stosowaną techniką. Został zastosowany do wielu materiałowych , w tym na przykład do badania farby , obrazowanie składu chemicznego baterii , obrazowanie ułożonych warstw tandemowych ogniw słonecznych oraz dynamika pękania . W reżimie rentgenowskim ptychografia została również wykorzystana do uzyskania mapowania 3D nieuporządkowanej struktury chrząszcza białego Cyphochilus oraz obrazowania 2D struktury domeny w masowym heterozłączu polimerowych ogniw słonecznych.
w świetle widzialnym została wykorzystana do obrazowania żywych komórek biologicznych i badania ich wzrostu, reprodukcji i ruchliwości. W wersji wektorowej może być również wykorzystany do mapowania ilościowych właściwości optycznych materiałów anizotropowych, takich jak biominerały czy metapowierzchnie
Ptychografia elektronowa jest wyjątkowo (między innymi trybami obrazowania elektronowego ) wrażliwa zarówno na ciężkie, jak i lekkie atomy jednocześnie. Zostało to wykorzystane na przykład w badaniu mechanizmów dostarczania leków w nanostrukturach poprzez obserwację cząsteczek leków zabarwionych ciężkimi atomami w klatkach z lekkich nanorurek węglowych . Z wiązkami elektronów , elektrony o krótszej długości fali i wyższej energii stosowane do obrazowania o wyższej rozdzielczości mogą spowodować uszkodzenie próbki poprzez jej jonizację i zerwanie wiązań, ale ptychografia wiązką elektronów dała teraz rekordowe obrazy dwusiarczku molibdenu o rozdzielczości 0,039 nm przy użyciu wiązka elektronów o niższej energii i detektory, które są w stanie wykrywać pojedyncze elektrony, dzięki czemu atomy mogą być lokalizowane z większą precyzją.
Ptychografia ma kilka zastosowań w przemyśle półprzewodnikowym , w tym obrazowanie ich powierzchni za pomocą EUV , ich struktury objętościowej 3D za pomocą promieni rentgenowskich oraz mapowanie pól naprężeń za pomocą ptychografii Bragga , na przykład w nanoprzewodach .
Obraz dyfrakcyjny wiązki promieni rentgenowskich przechodzących przez nieruchomy kryształ. Kropki to obszary konstruktywnej ingerencji; strukturę atomową kryształu można wypracować na podstawie wzoru. W ptychografii próbka (która nie musi być krystaliczna) jest przesuwana sekwencyjnie przez wiązkę, tworząc szereg wzorów dyfrakcyjnych.
Ptychograf w świetle widzialnym celu o rozdzielczości optycznej USAF , wykonany przy użyciu otworu otworkowego w kawałku tektury. Na wykresach odcień reprezentuje fazę, a moduł reprezentuje luminancję. (a) pokazuje pojedynczy obraz ze złożonymi szczegółami dyfrakcji. (b) przedstawia przetworzoną komputerowo wersję (a). (c) pokazuje wynik połączonych danych dyfrakcyjnych przetworzonych komputerowo po zeskanowaniu całej próbki.
Ptychografia rentgenowska na linii wiązki rozpraszającej pod małym kątem synchrotronu . Ten ptychograf rentgenowski płytki strefowej pokazuje dane dotyczące jasności na obrazie (a) i dane fazowe na obrazie (b). Wstawki I, II i III z (b) są pokazane odpowiednio w (i), (j) i (k) przetworzone w 2015 r.; wykazują wyraźną poprawę rozdzielczości w porównaniu z algorytmami zastosowanymi w 2008 r. pokazanymi w (l), (m) i (n).
Historia
Początki krystalografii
Nazwa „ptychografia” została ukuta przez Hegerla i Hoppe'a w 1970 roku w celu opisania rozwiązania problemu fazy krystalograficznej , zaproponowanego po raz pierwszy przez Hoppe'a w 1969 roku. Pomysł wymagał, aby okaz był wysoce uporządkowany (kryształ ) i oświetlony przez precyzyjnie zaprojektowany fala tak, że tylko dwie pary pików dyfrakcyjnych interferują ze sobą w danym momencie. Przesunięcie oświetlenia zmienia warunek interferencji (zgodnie z twierdzeniem o przesunięciu Fouriera ). Te dwa pomiary można wykorzystać do rozwiązania względnej fazy między dwoma pikami dyfrakcyjnymi poprzez rozbicie koniugatu zespolonego niejasności , które inaczej by istniały. Chociaż pomysł obejmuje podstawową koncepcję interferencji przez splot ( ptycho ) i niezmienność translacji, ptychografii krystalicznej nie można używać do obrazowania obiektów ciągłych , ponieważ bardzo wiele (nawet miliony) wiązek interferuje w tym samym czasie, a więc różnice fazowe są nierozłączne. Hoppe porzucił koncepcję ptychografii w 1973 roku.
Rozwój metod inwersyjnych
W latach 1989-2007 Rodenburg i współpracownicy opracowali różne metody inwersji dla ogólnego problemu fazy ptychograficznej obrazowania, w tym dekonwolucję rozkładu Wignera (WDD), SSB, metodę iteracyjną „PIE” (prekursor algorytmu „ePIE”), demonstrując dowód zasad na różnych długościach fal. Chapman wykorzystał metodę inwersji WDD do zademonstrowania pierwszej implementacji rentgenowskiej w 1996 roku. Niewielkość komputerów i słaba jakość detektorów w tym czasie może tłumaczyć fakt, że ptychografia nie została początkowo podjęta przez innych pracowników.
Ogólny odbiór
Powszechne zainteresowanie ptychografią rozpoczęło się dopiero po pierwszej demonstracji iteracyjnej ptychografii rentgenowskiej z odzyskiem fazy w 2007 r. w Swiss Light Source (SLS). Postęp w zakresie długości fal rentgenowskich był wówczas szybki. Do 2010 roku SLS opracował ptychotomografię rentgenowską, która jest obecnie głównym zastosowaniem tej techniki. Thibault, również pracujący w SLS, opracował iteracyjny algorytm inwersji mapy różnic (DM) i ptychografię stanów mieszanych. Od 2010 roku kilka grup rozwinęło możliwości ptychografii do charakteryzowania i ulepszania odblaskowych i refrakcyjna optyka rentgenowska . Ptychografia Bragga do pomiaru naprężenia w kryształach została zademonstrowana przez Hruszkewycz w 2012 roku. W 2012 roku wykazano również, że ptychografia elektronowa może pięciokrotnie poprawić rozdzielczość soczewki elektronowej , co zostało zastosowane w 2018 roku w celu zapewnienia obraz transmisyjny o najwyższej rozdzielczości , jaką kiedykolwiek uzyskano, zdobywając rekord świata Guinnessa i ponownie w 2021 r., aby osiągnąć jeszcze lepszą rozdzielczość. Przestrzeń rzeczywista ptychografia świetlna stała się dostępna w komercyjnym systemie obrazowania żywych komórek w 2013 r. Ptychografia Fouriera przy użyciu metod iteracyjnych została również zademonstrowana przez Zheng i in. w 2013 roku, dziedzina, która szybko się rozwija. Grupa Margaret Murnane i Henry'ego Kapteyna z JILA , CU Boulder zademonstrowała obrazowanie ptychograficzne odbicia EUV w 2014 roku.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Naukowcy z Cornell widzą atomy w rekordowej rozdzielczości , cornell.edu, 20 maja 2021 r