数字成像

屡获殊荣的高分辨率成像工具帮助您了解生物和无机样品的超微结构。

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概述: 

如今,在透射电子显微术 (TEM) 应用领域中,有许多可行的数字成像方法和技术。在传统方法中,高能量电子不能直接暴露于传感器,否则会严重损坏探测器。因此,传统的 TEM 照相机首先将入射电子束暴露于闪烁薄膜,随后该薄膜将电子转换为光(光子)。之后,这些光子会通过一连串光学透镜或耦合光纤板传输到传感器。最后,传感器将收集光,并根据在传感器每个位置检测到的光量逐像素创建图像。

传统的 TEM 图像检测架构

TEM 成像通过四个基本步骤来处理入射电子:

  1. 将电子转换为信号
  2. 传输信号
  3. 用传感器检测信号
  4. 通过电子方式传输信号和读出以形成图像

与直接检测有哪些不同?

使用直接检测法的 TEM 成像只有两个步骤:

  1. 将电子转换为信号  不适用
  2. 传输信号 – 不适用
  3. 用传感器检测信号
  4. 通过电子方式传输信号和读出以形成图像

传统检测和直接检测的一个关键区别是自定义 CMOS 传感器,该传感器利用了可直接暴露于高能量粒子的唯一耐辐射架构。此外,用于数据传输和处理的超高速电子实现了低剂量计数和超分辨率功能。结合以上特性,新方法能够以 400 帧/秒 (fps) 的速率 (4k x 4k) 实时处理,从而得到最佳结果。

将电子转换为信号          传输信号          用传感器检测信号          传输信号和读出图像

步骤 1) 将电子转换为信号

Gatan 使用获专利的磷光剂闪烁计数器来优化信号转换,从而提高了探测器灵敏度 (SENS) 和分辨率。选择闪烁计数器时,有必要了解 SENS 和分辨率的性能平衡关系。

  • 灵敏度(信号):非常适合需要让入射电子生成更多光子的剂量敏感型用例(例如低温断层扫描术、光束敏感型材料)
  • 分辨率(空间细节):适用于需要更多信息来解析细节的应用,但您可以在不损害样品的情况下增加剂量(信号)(例如半导体和其他敏感性较低的材料)

步骤 2) 传输信号

可借助多种耦合(透镜耦合和光纤耦合)机制来优化信号传输并满足给定探测器的成本或性能目标。

透镜耦合:透镜光学器件将光传输至传感器,然后光被转换成传感器电子(信号)

  • 优点:(Gatan) 使用真实传输闪烁计数器;比性能更高的光纤成本更低
  • 缺点:透镜会造成光(信息)损失,具有角度依赖性(有效性 <10%);渐晕(边角失光);高倍放大时出现图像畸变

光纤耦合:闪烁计数器产生大量生成传感器电子的光子;光纤以极高的效率直接向传感器传输光

  • 优点:向传感器传输光信息的最有效方式(闪烁计数器与传感器 1:1 耦合(有效性 >50%),无图像畸变));可实现 SENS 与分辨率的平衡(光纤配置细节)。
  • 缺点:光纤光学器件成本略高;要求光纤包层、烧结、粘结等工艺优化(Gatan 专利)

步骤 3) 用传感器检测信号

传感器类型(CCD 与 CMOS)会显著影响 TEM 照相机的性能,因为架构存在本质区别。

  • 电荷耦合设备 (CCD):电荷在相邻元件之间传输,最后一个阶段显示读出(例如噪声);像素组合最大程度减小了读出噪声的影响
  • 互补金属氧化物半导体 (CMOS):电荷立即转换为电压(通过数字输出读出);支持高帧速率,总体电子噪声较低

两种技术都有其内在优势,因此问题在于每种选择有何独特的性能特点。CCD 可拥有 100% 填充因数以捕获所有入射光,而 CMOS 传感器的一部分被与各像素相关的晶体管和金属线占据。从历史数据来看,CCD 能够提供质量更高的图像,同时噪声更低且价格更实惠。最近的设计改进和工艺技术进一步提高了 CMOS 传感器的性能,因此它成为了部分应用的可行选择。注意,从信噪比角度来看,CCD 在像素组合方面仍保持优势。然而,CMOS 芯片可增加读出端口数量并达到非常高的帧速率。

步骤 4) 传输信号和读出图像

当电荷转换为电压时,通常会产生噪声

  • CCD:将数据传出串行寄存器
  • CMOS:按像素转换为电压

针对 CCD 优化读出噪声(更高电压)和速度(多端口和快速读取时间)非常重要。

  • 优化控制器以降低读出噪声;利用多端口读出提高速度
  • 采用像素组合的行间 CCD 读出速度 (fps) 最快 – 100% 占空比实现了高达 30 fps 的速度

CMOS 通常被视为快速传感器,因为它能够以滚动快门模式运行,速度高于全局快门模式。

 

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