Beregningsobjektiv afslører skjult 3D-information fra et enkelt 2D-mikrofotografi

Fysikere fra National University of Singapore (NUS) har udviklet en computerbaseret billeddannelsesteknik til at udtrække tredimensionel (3D) information fra et enkelt todimensionelt (2D) elektronmikrofotografi. Denne metode kan let implementeres i de fleste transmissionselektronmikroskoper (TEM'er), hvilket gør den til et levedygtigt værktøj til hurtigt at afbilde store områder ved en 3D-opløsning i nanoskala (ca. 10 nm).

Forståelse af struktur-funktion relationer er afgørende for forskning i nanoteknologi, herunder fremstilling af komplekse 3D nanostrukturer, observation af reaktioner på nanometerskala og undersøgelse af selvsamlede 3D nanostrukturer i naturen. Men de fleste strukturelle indsigter er i øjeblikket begrænset til 2D. Dette skyldes, at hurtige, let tilgængelige 3D-billeddannelsesværktøjer på nanoskala er fraværende og kræver specialiseret instrumentering eller store faciliteter som synkrotroner.

Et forskerhold ved NUS adresserede denne udfordring ved at udtænke et beregningsskema, der udnytter fysikken i elektron-stof-interaktion og kendt materiale forud for at bestemme dybden og tykkelsen af ​​prøvens lokale region. På samme måde som en pop-up-bog forvandler flade sider til tredimensionelle scener, bruger denne metode lokale dybde- og tykkelsesværdier til at skabe en 3D-rekonstruktion af prøven, der kan give hidtil uset strukturel indsigt. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Communications Physics .

Anført af adjunkt N. Duane LOH fra Institut for Fysik og Biologiske Videnskaber ved NUS fandt forskerholdet ud af, at pletterne i et TEM-mikrografi indeholder information om dybden af ​​prøven. De forklarede matematikken bag, hvorfor lokale defokusværdier fra et TEM-mikrografi peger på prøvens massecenter.

Den afledte ligning indikerer, at et enkelt 2D-mikrofotografi har en begrænset kapacitet til at formidle 3D-information. Derfor, hvis prøven er tykkere, bliver det vanskeligere nøjagtigt at bestemme dens dybde.

Forfatterne forbedrede deres metode for at vise, at denne pop-out-metrologisk teknik kan anvendes samtidigt på flere prøvelag med nogle yderligere forudsætninger. Dette fremskridt åbner døren til hurtig 3D-billeddannelse af komplekse, flerlagsprøver.

Denne forskning fortsætter holdets løbende integration af maskinlæring med elektronmikroskopi for at skabe beregningslinser til billeddannelse af usynlig dynamik, der forekommer på nanoskalaniveau.

Dr. Deepan Balakrishnan, den første forfatter, sagde:"Vores arbejde viser den teoretiske ramme for enkeltbillede 3D-billeddannelse med TEM'er. Vi udvikler en generaliseret metode, der bruger fysikbaserede maskinlæringsmodeller, der lærer materiale forud og giver 3D-relief til enhver 2D-projektion."

Holdet forestiller sig også yderligere at generalisere formuleringen af ​​pop-out-metrologi ud over TEM'er til ethvert sammenhængende billeddannelsessystem for optisk tykke prøver (dvs. røntgenstråler, elektroner, fotoner med synligt lys osv.).

Prof Loh tilføjede:"Ligesom menneskesyn kræver det kontekst at udlede 3D-information fra et 2D-billede. Pop-out er ens, men konteksten kommer fra det materiale, vi fokuserer på, og vores forståelse af, hvordan fotoner og elektroner interagerer med dem."

Flere oplysninger: Deepan Balakrishnan et al., Single-shot, coherent, pop-out 3D metrologi, Kommunikationsfysik (2023). DOI:10.1038/s42005-023-01431-6

Journaloplysninger: Kommunikationsfysik

Leveret af National University of Singapore