การถ่ายภาพแบบเลี้ยวเบน

"การถ่ายภาพแบบเลี้ยวเบน" เป็นวิธีการสร้างภาพโครงสร้างของชิ้นงานขึ้นใหม่จากรูปแบบการเลี้ยวเบนของชิ้นงาน เนื่องจากรูปแบบการเลี้ยวเบนได้รับอิทธิพลน้อยกว่าจากความคลาดเคลื่อนของเลนส์ ความละเอียดของภาพโครงสร้างที่ได้จึงถูกกำหนดโดยมุมการเลี้ยวเบนสูงสุดของรูปแบบการเลี้ยวเบน ดังนั้น ภาพโครงสร้างที่มีความละเอียดสูง (ภาพแอมพลิจูดและภาพเฟส) กว่าภาพ HREM (ถ่าย โดยใช้เลนส์) ได้ วิธีนี้ได้รับการศึกษาอย่างแข็งขันในด้าน X-ray diffractometry ซึ่งเป็นวิธีการที่เรียกว่า "Coherent Diffractive Imaging" ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน วิธีการนี้เรียกว่า "Diffractive Imaging" หรือ "Diffractive Microscopy" วิธีการนี้ถูกนำไปใช้กับท่อนาโนคาร์บอน ฯลฯ และได้รับความละเอียดเชิงพื้นที่ประมาณ 0.1 นาโนเมตร นอกจากนี้ วิธีการนี้สามารถนำไปใช้กับไม่เพียงแค่ผลึกเท่านั้น แต่ยังใช้กับตัวอย่างที่มีโครงสร้างแบบไม่มีคาบ เช่น ชิ้นงานที่มีโมเลกุลเดี่ยว ในการสร้างอิมเมจขึ้นใหม่ จะใช้วิธีการกู้คืนเฟสซ้ำของฟูริเยร์ นั่นคือ ขนาดของแอมพลิจูดของการเลี้ยวเบนจะคำนวณโดยรากที่สองของความเข้มของการเลี้ยวเบนที่ได้จากชิ้นงานทดสอบ และเฟสเริ่มต้นแบบสุ่มจะถูกกำหนดให้กับแอมพลิจูดของการเลี้ยวเบน จากนั้นแอมพลิจูดของการเลี้ยวเบนที่มีเฟสจะถูกแปลงฟูริเยร์เพื่อให้ได้ภาพโครงสร้างโดยประมาณ ภาพที่ได้แสดงโครงสร้างแม้ในพื้นที่ที่เกินพื้นที่ตัวอย่างซึ่งถ่ายแบบการเลี้ยวเบน เมื่อกำหนดรูปร่างภายนอกของชิ้นงานอย่างชัดเจนแล้ว ความเข้มของภาพจากพื้นที่ยกเว้นมิติภายนอกจะถูกตั้งค่าเป็น 0 (ศูนย์) (เงื่อนไขข้อจำกัดของพื้นที่จริง) (ในทางกลับกัน เมื่อการกำหนดรูปร่างภายนอกอย่างแม่นยำทำได้ยาก พื้นที่ตัวอย่าง (เรียกว่า "ส่วนรองรับ") ที่ใหญ่กว่าขนาดภายนอกเล็กน้อยจะถูกกำหนด และความเข้มของภาพจากพื้นที่ที่เกินส่วนรองรับจะถูกตั้งค่าเป็น 0. จากนั้นภาพจะเปลี่ยนเป็นรูปแบบผกผัน - ฟูเรียร์เป็นรูปแบบการเลี้ยวเบน แอมพลิจูดการเลี้ยวเบนที่ไม่ตรงกับแอมพลิจูดของการทดลองจะถูกแทนที่ด้วยค่าการทดลอง (เงื่อนไขข้อจำกัดของพื้นที่ซึ่งกันและกัน) จากนั้นจึงใช้การแปลงฟูริเยร์อีกครั้งเพื่อให้ได้ภาพโครงสร้าง เมื่อทำขั้นตอนนี้ซ้ำแล้วซ้ำอีก ขั้นตอนที่แท้จริงของชิ้นงานจะค่อยๆ ฟื้นตัว และสุดท้าย จะได้ภาพโครงสร้างที่แท้จริงของชิ้นงานทดสอบ จำนวนการวนซ้ำจนกว่าจะกู้คืนเฟสจริงเกินหลายพันครั้ง ความแม่นยำของภาพที่ได้รับจะขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น การกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นที่อยู่รอบจุดกำเนิดของรูปแบบการเลี้ยวเบน สัญญาณรบกวนจากระบบตรวจจับรวมถึงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และมิติภายนอกของส่วนรองรับ ควรสังเกตว่าเมื่อใช้รูปแบบการเลี้ยวเบนดั้งเดิม พื้นที่ของชิ้นงานทดสอบสองเท่า (ส่วนรองรับ) จะต้องสว่างด้วยลำแสงอิเล็กตรอน ซึ่งหมายความว่ารูปแบบการเลี้ยวเบนจะถูกสุ่มตัวอย่างด้วยขั้นตอนที่เล็กกว่าสองเท่าของขนาดตัวอย่างดั้งเดิม ทำให้เราสามารถดึงข้อมูลทั้งหมดที่มีอยู่ในชิ้นงานทดสอบ ซึ่งเรียกว่าเงื่อนไขการสุ่มตัวอย่างมากเกินไป



แผนภาพแนวคิดของวิธีการกู้คืนเฟสซ้ำของฟูริเยร์สำหรับการถ่ายภาพแบบเลี้ยวเบน ภาพโครงสร้างผลึกของชิ้นงานได้รับจากข้อมูลการเลี้ยวเบนของการทดลองที่มีความแม่นยำดี โดยการใช้การแปลงฟูริเยร์กับข้อมูลปริภูมิซึ่งกันและกัน จากนั้นแปลงฟูริเยร์แบบผกผันเป็นข้อมูลปริภูมิจริงที่ได้รับซ้ำๆ โดยกำหนดเงื่อนไขข้อจำกัดในแต่ละขั้นตอน เพื่อให้แม่นยำ 1) ประการแรก สนามคลื่นในพื้นที่กลับกันถูกสร้างขึ้นโดยใช้แอมพลิจูดของการเลี้ยวเบนที่ได้จากรูปแบบการเลี้ยวเบนและให้เฟสเริ่มต้นแบบสุ่มกับแอมพลิจูดของการเลี้ยวเบน 2) สนามคลื่นที่เกิดขึ้นในปริภูมิกลับกันคือการแปลงฟูริเยร์เป็นภาพในปริภูมิจริง 3) ความเข้มของภาพนอกพื้นที่รองรับถูกกำหนดเป็น 0 (ศูนย์) 4) ภาพที่แก้ไขคือการแปลงฟูริเยร์แบบผกผันเป็นสนามคลื่นในปริภูมิกลับกัน 5) แอมพลิจูดของสนามคลื่นจะถูกแทนที่ด้วยรูปแบบการเลี้ยวเบนของการทดลอง การเกิดซ้ำของวัฏจักรนี้ช่วยให้เราสามารถดึงข้อมูลเฟสของจุดเลี้ยวเบนในปริภูมิกลับกันและสนามคลื่นในปริภูมิจริงได้อย่างแม่นยำ 6) ในที่สุด ภาพโครงสร้างที่ถูกต้องของตัวอย่างผลึกจะถูกสร้างขึ้นใหม่