위상 대비 이미징

Phase-contrast imaging

위상 대비 이미징은 다양한 응용 분야를 가진 이미징 방법입니다.여러 재료의 굴절률 차이를 이용하여 분석 대상 구조를 구분합니다.종래의 광현미경법에서는, 위상 콘트라스트를 이용해, 같은 투명도의 구조를 구별해, 그 이중 굴절에 근거해 결정을 조사할 수 있다.이것은 생물학, 의학, 지질학에서 사용된다.X선 단층 촬영에서 동일한 물리적 원리를 사용하여 균일한 구조 내에서 서로 다른 굴절률의 작은 세부 사항을 강조 표시하여 영상 대비를 높일 수 있습니다.투과전자현미경(TEM)에서는 위상대비를 통해 매우 고해상도(HR) 이미징을 가능하게 하여 몇 개의 앵스트롬(Angstrom) 간격으로 특징을 구별할 수 있습니다(이 시점에서 가장 높은 해상도는 40pm[1]).

광현미경법

다음 항목도 참조하십시오.위상 대비 현미경 및 정량 위상 대비 현미경

위상 대비는 구조마다 굴절률이 다르다는 사실을 이용하여 시료를 통과하는 빛의 통과를 다른 양만큼 구부리거나 굴절 또는 지연시킵니다.광로의 변화로 인해 다른 파도와 '위상이 맞지 않음'이 발생합니다.이 효과는 위상 대비 현미경으로 아이피스에서 관찰할 수 있는 진폭 차이로 변환될 수 있으며 결과 [citation needed]영상의 어둡거나 밝은 영역으로 효과적으로 묘사됩니다.

위상 대비는 광학 현미경 검사에서 생물학 및 지질 과학 모두에서 광범위하게 사용됩니다.생물학에서, 그것은 유사한 투명성 또는 굴절률의 구조를 구별할 수 있도록 유지되지 않은 생물학적 샘플을 보는 데 사용된다.

지질학에서 위상대비를 이용하여 표준화된 얇은 단면(보통 30μm)으로 절단되어 광현미경 아래에 장착되는 광물결정 간의 차이를 강조합니다.결정성 재료는 이중 굴절을 나타낼 수 있으며, 이중 굴절은 결정으로 들어가는 광선이 결정으로 들어가는 각도에 따라 다른 굴절률을 나타낼 수 있는 두 개의 빔으로 분할됩니다.두 광선 사이의 위상 대비는 특정 광학 필터를 사용하여 사람의 눈으로 감지할 수 있습니다.이중 굴절의 정확한 성질은 결정 구조에 따라 다르기 때문에 위상 대비는 광물의 식별에 도움이 됩니다.

X선 이미징

주요 기사:위상 대비 X선 이미징
거미의 X선 위상 대비 영상

X선 위상 대비 영상촬영에는 네 가지 주요 기법이 있으며, 이 기법은 다른 원리를 사용하여 물체에서 발생하는 X선의 위상 변동을 X선 [2][3]검출기에서 강도 변동으로 변환한다.Propagation-based 단계 contrast[4]을 가장자리, 탤벗과 다색의 far-field interferometry[3][5][6]는 단계의 파생물을 측정하는데, 회절 격자의 집합을 사용하여 refraction-enhanced imaging[7]도 차동 측정에 대한 분석기 크리스탈을 사용하면, 및 X선 interferometry[8] C.를 사용하여 자유 공간 전파를 사용한다rystal interferom위상을 직접 측정할 수 있습니다.일반적인 흡수 대비 X선 영상과 비교하여 이러한 방법의 장점은 저흡수 재료의 대비가 더 높고(위상 이동이 흡수와 다른 메커니즘이기 때문에) 공간 주파수에 따라 증가하는(많은 위상 대비 기술이 첫 번째 또는 두 번째 유도체를 감지하기 때문에) 대비 소음 관계가 더 높다는 것이다.f) 위상 편이를 통해 더 작은[6] 디테일을 볼 수 있는 단점 중 하나는 싱크로트론 또는 마이크로포커스 X선 소스, X선 광학 및 고해상도 X선 검출기와 같은 더 정교한 장비가 필요하다는 것입니다.이 정교한 장비는 여러 매체를 통과하는 X선의 굴절률의 작은 변화를 구별하는 데 필요한 감도를 제공합니다.굴절률은 보통 1보다 작으며 10과−6 10의 차이는−7 1이다.

이 모든 방법은 영상촬영 방향의 굴절률 투영(적분)을 계산하는 데 사용할 수 있는 영상을 생성합니다.전파 기반 위상 대비의 경우 위상 회수 알고리즘이 있으며, Talbot 간섭 측정 및 굴절 강화 영상 촬영의 경우 영상이 적절한 방향으로 통합되고 X선 간섭 측정 위상 래핑이 수행됩니다.이러한 이유로, 그것들은 단층 촬영, 즉 약간 다른 각도의 많은 영상에서 물체의 굴절률의 3D 지도를 재구성하는 데 매우 적합합니다.X선 방사선의 경우 굴절률 1과의 차이는 기본적으로 물질의 밀도에 비례합니다.

싱크로트론 X선 단층 촬영에서는 위상 대비 영상을 사용하여 물체의 내부 표면을 이미징할 수 있습니다.이러한 맥락에서 위상 대비 영상은 일반적인 방사선 촬영 영상으로부터 가능한 대비를 향상시키는 데 사용됩니다.디테일과 그 주변의 굴절률의 차이는 디테일을 통과하는 광파와 디테일을 벗어나는 광파 사이의 위상 변화를 일으킨다.간섭 패턴이 나타나고 세부 [9]사항이 표시됩니다.

이 방법은 중국 도산투오 층의 선캄브리아제 메타조아 배아를 촬영하는 데 사용돼 [10]원본을 파괴하지 않고 섬세한 미세화석의 내부 구조를 촬영할 수 있다.

투과전자현미경법

투과전자현미경학 분야에서는 개별 원자의 화상열에 위상 대비 이미징을 이용할 수 있다.이러한 능력은 전자가 통과할 때 물질의 원자가 전자를 회절한다는 사실(샘플을 통해 전달될 때 전자의 상대적 위상이 변화함)에서 발생하며, 전달된 빔에 이미 존재하는 대비와 더불어 회절 대조를 일으킵니다.위상 대비 이미징은 지금까지 개발된 것 중 가장 높은 해상도의 이미징 기술로 1앵스트롬(0.1나노미터 미만) 미만의 해상도를 허용할 수 있습니다.따라서 결정성 [11][12]물질에서 원자의 기둥을 직접 볼 수 있습니다.

위상 대비 영상의 해석은 간단한 작업이 아닙니다.HR 이미지에서 볼 수 있는 대비를 디콘볼루션하여 재료의 어떤 원자가 육안으로 수행될 수 있는지 확인합니다.대신에, 복수의 회절 소자와 평면에 의한 콘트라스트와 투과 빔의 조합은 복잡하기 때문에, 컴퓨터 시뮬레이션을 사용해 위상 대비 이미지에서 다른 구조가 어떤 종류의 콘트라스트를 만들어 낼 수 있는지를 판단한다.따라서 재료의 결정구조에 대한 추측과 같이 위상대조 화상을 적절히 해석하기 전에 샘플에 대한 적절한 양의 정보를 이해할 필요가 있다.

위상 대비 화상은 대물 개구부를 완전히 제거하거나 매우 큰 대물 개구부를 사용하여 형성된다.그러면 전송된 빔뿐만 아니라 회절된 빔도 이미지에 기여할 수 있습니다.위상 대비 이미징을 위해 특별히 설계된 기기는 종종 HRTEM(고해상도 투과 전자 현미경)이라고 불리며 주로 전자빔 칼럼의 설계에서 분석 TEM과 다릅니다.분석 TEM은 분광 측정을 위해 컬럼에 부착된 추가 검출기를 사용하는 반면 HRTEM은 샘플에서 나오는 각 빔에 대해 컬럼 아래로 균일한 전자기 환경을 보장하기 위해 추가 부착물이 거의 또는 전혀 없다(전송 및 회절).위상 대비 이미징은 샘플에서 나오는 전자 간의 위상 차이에 의존하기 때문에 샘플과 보기 화면 간에 발생하는 추가 위상 변화는 이미지를 해석할 수 없게 만들 수 있습니다.따라서 렌즈 수차의 매우 낮은 정도는 HRTEM의 요건이기도 합니다.구면 수차(Cs) 보정의 진보는 불가능하다고 여겨졌던 새로운 세대의 HRTEM을 분해능에 도달할 수 있게 했습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Jiang Y, Chen Z, Han Y, Deb P, Gao H, Xie S, et al. (July 2018). "Electron ptychography of 2D materials to deep sub-ångström resolution". Nature. 559 (7714): 343–349. doi:10.1038/10.1038/s41467-020-16688-6. PMID 30022131.
  2. ^ Fitzgerald R (2000). "Phase-sensitive x-ray imaging". Physics Today. 53 (7): 23–26. Bibcode:2000PhT....53g..23F. doi:10.1063/1.1292471.
  3. ^ a b David C, Nohammer B, Solak HH, Ziegler E (2002). "Differential x-ray phase contrast imaging using a shearing interferometer". Applied Physics Letters. 81 (17): 3287–3289. Bibcode:2002ApPhL..81.3287D. doi:10.1063/1.1516611.
  4. ^ Wilkins SW, Gureyev TE, Gao D, Pogany A, Stevenson AW (1996). "Phase-contrast imaging using polychromatic hard X-rays". Nature. 384 (6607): 335–338. Bibcode:1996Natur.384..335W. doi:10.1038/384335a0.
  5. ^ Miao H, Panna A, Gomella AA, Bennett EE, Znati S, Chen L, Wen H (2016). "A Universal Moiré Effect and Application in X-Ray Phase-Contrast Imaging". Nature Physics. 12 (9): 830–834. Bibcode:2016NatPh..12..830M. doi:10.1038/nphys3734. PMC 5063246. PMID 27746823.
  6. ^ a b Fredenberg E, Danielsson M, Stayman JW, Siewerdsen JH, Aslund M (September 2012). "Ideal-observer detectability in photon-counting differential phase-contrast imaging using a linear-systems approach". Medical Physics. 39 (9): 5317–35. doi:10.1118/1.4739195. PMC 3427340. PMID 22957600.
  7. ^ Davis TJ, Gao D, Gureyev TE, Stevenson AW, Wilkins SW (1995). "Phase-contrast imaging of weakly absorbing materials using hard X-rays". Nature. 373 (6515): 595–598. Bibcode:1995Natur.373..595D. doi:10.1038/373595a0.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  8. ^ Momose A, Takeda T, Itai Y, Hirano K (April 1996). "Phase-contrast X-ray computed tomography for observing biological soft tissues". Nature Medicine. 2 (4): 473–5. doi:10.1038/nm0496-473. PMID 8597962.
  9. ^ "Phase Contrast Imaging". UCL Department of Medical Physics and Bioengineering Radiation Physics Group. Archived from the original on 28 September 2011. Retrieved 2011-07-19.
  10. ^ Chen JY, Bottjer DJ, Davidson EH, Li G, Gao F, Cameron RA, et al. (September 2009). "Phase contrast synchrotron X-ray microtomography of Ediacaran (Doushantuo) metazoan microfossils: Phylogenetic diversity and evolutionary implications". Precambrian Research. 173 (1–4): 191–200. doi:10.1016/j.precamres.2009.04.004.
  11. ^ Williams DB, Carter CB (2009). Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. Springer, Boston, MA. doi:10.1007/978-0-387-76501-3. ISBN 978-0-387-76500-6.
  12. ^ Fultz B, Howe JM (2013). Transmission Electron Microscopy and Diffractometry of Materials. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. doi:10.1007/978-3-642-29761-8. ISBN 978-3-642-29760-1.