DE102014009239A1 - Dreidimensionale Rekonstruktion rasterelektronenmikroskopischer Abbildungen durch Anpassung der optischen Photogrammetrie - Google Patents

Dreidimensionale Rekonstruktion rasterelektronenmikroskopischer Abbildungen durch Anpassung der optischen Photogrammetrie Download PDF

Info

Publication number
DE102014009239A1
DE102014009239A1 DE102014009239.9A DE102014009239A DE102014009239A1 DE 102014009239 A1 DE102014009239 A1 DE 102014009239A1 DE 102014009239 A DE102014009239 A DE 102014009239A DE 102014009239 A1 DE102014009239 A1 DE 102014009239A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
scanning electron
optical
photogrammetry
reconstruction
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102014009239.9A
Other languages
English (en)
Inventor
Anmelder Gleich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE102014009239.9A priority Critical patent/DE102014009239A1/de
Publication of DE102014009239A1 publication Critical patent/DE102014009239A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B15/00—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons
    • G01B15/04—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons for measuring contours or curvatures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/22—Optical or photographic arrangements associated with the tube
    • H01J37/222—Image processing arrangements associated with the tube
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/52—Combining or merging partially overlapping images to an overall image
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/22—Treatment of data
    • H01J2237/226—Image reconstruction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/245—Detection characterised by the variable being measured
    • H01J2237/24571—Measurements of non-electric or non-magnetic variables
    • H01J2237/24578—Spatial variables, e.g. position, distance
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26—Electron or ion microscopes
    • H01J2237/2611—Stereoscopic measurements and/or imaging

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

Erzeugung dreidimensionaler (3D) Oberflächenmodelle von rasterelektronenmikroskopischen Proben ist aufwändig und führt zu einer Zerstörung der Proben. Das neue Verfahren führt zu einer unkomplizierten und zerstörungsfreien 3D Rekonstruktion der Probenoberfläche. Bei der optischen Photogrammetrie wird ein sich nicht bewegendes Objekt von einer Kamera kreisförmig umfahren und überlappende Fotos aufgenommen. Die Erfindung ist die Übertragung der optischen Photogrammetrie auf die Bedürfnisse der Rasterelektronenmikroskopie: Der Detektor des REM entspricht der optischen Kamera. Statt den fest eingebauten Detektor zu bewegen wird das Präparat schrittweise gedreht und auf diese Weise werden sich überlappende Bilder aufgenommen. Um die die Oberfläche des Präparates möglichst vollständig aufnehmen zu können, wird das Präparat dafür leicht gekippt, siehe Zeichnung der Zusammenfassung. Die weiteren Schritte der Rekonstruktion entsprechen denen der optischen Photogrammetrie und nutzen die für optische Photogrammetrie vorhandene Software. Das Verfahren eignet sich aufgrund seiner geringen Anforderungen und der Schonung der Proben als eine Ergänzung zur Bearbeitung von Fragestellungen bei der Untersuchung von rasterelektronenmikroskopischen Proben.

Description

  • Rasterelektronenmikroskope werden in verschiedenen Arbeitsbereichen verwendet. Sie werden in Forschung und Entwicklung in der Medizin, in den Naturwissenschaften und in der Industrie (zum Beispiel Materialforschung, Nanotechnologie) eingesetzt. Für viele Fragestellungen ist die Möglichkeit eine dreidimensionale (3D) Rekonstruktion der zu untersuchenden Probe hilfreich.
  • Mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) können sehr kleine Proben untersucht werden. Ein gebündelter Elektronennstrahl trifft auf die Oberfläche der zu untersuchenden Probe. Die Probe, oder bei höherer Vergrößerung ein Ausschnitt der Probe, kann von dem Elektronenstrahl zeilenweise abgerastert werden. Die dadurch auftretenden Wechselwirkungsprodukte (Sekundärelektronen, Röntgenstrahlen, etc.) werden von einem Detektor registriert und zur Darstellung von zweidimensionalen Bildern der Probenoberfläche (z. B. bei der Detektion der Sekundärelektronen), oder zur Analyse der in der Probe vorhandenen Elemente (bei der Detektion von Röntgenstrahlen) verwendet.
  • Es existieren zur Zeit zwei Verfahren, die mit dem REM erzeugten zweidimensionalen Bilder für eine vollständige dreidimensionale Rekonstruktion zu nutzen. Ein drittes Verfahren erzeugt nur Stereobilder von Ausschnitten der Probenoberfläche, das ist keine vollständige dreidimensionale Rekonstruktion.
  • Das erste Verfahren nutzt Serienschnitte einer Probe, die einzeln mit dem REM aufgenommen werden und mit Software zu einem 3D Modell zusammengesetzt werden (Hughes L., Hawes C., Monteith S., Vaughan S., Serial block face scanning electron microscopy-the future of cell ultrastructure imaging. Heft „Protoplasma", Jahrgang 2014 Band 251(2), Seiten 395 bis 401)
    Das zweite Verfahren verwendet den gebündelten Elektronenstrahl des REM selbst, um die Probe schichtweise abzutragen. Die nach jedem Abtragungsschritt einzeln aufgenommenen REM Bilder der jeweils freigelegten Schicht werden dann zur 3D Rekonstruktion verwendet (Kim H.-W., Kim N., Kim K. W., Rhyu I. J., Three-dimensional imaging of cerebellar mossy fiber rosettes by ion-abrasion scanning electron microscopy. Heft „Microscopy and Microanalysis". Jahrgang 2013 Supplement 5, Seiten 172 bis 177.)
    Ein drittes Verfahren nutzt das Stereobildverfahren. Dabei wird ein Bild aufgenommen, die Probe wird anschließend leicht gekippt und ein weiteres Bild aufgenommen. Die Bilder werden zu einem einzelnem Stereobild kombiniert. Das Verfahren dient nur der 3D Rekonstruktion eines einzelnen Teilausschnittes der gesamten Probenoberfläche (Roy, S., Meunier J., Marian A. M., Vidal F., Brunette I., Costantino S., Automatic 3D reconstruction of quasi-planar stereo Scanning Electron Microscopy (SEM) images. Heft „Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012 Annual International Conference of the IEEE", Jahrgang 2012, Seiten 4361 bis 4364)
  • Die aktuellen Verfahren der 3D-Rekonstruktion rasterelektronenmikroskopischer Proben sind Material und Zeitaufwändig aufwändig und führen zu einer irreversiblen Zerstörung der Probe. Die hier vorgestellte Erfindung ist die Übertragung und Anpassung der bei der optischen Fotografie bereits bekannte Methode der Photogrammetrie auf die Bedürfnisse der Rasterelektronenmikroskopie. Mit dem neuen Verfahren kann von einer rasterelektronenmikrokopische Probe die Oberfläche, einfacher und schonender für die Probe, als bei den aktuell bekannten Verfahren, zu einem 3D Oberflächenmodell bei hoher Detailauflösung rekonstruiert werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung der Übertragung und Anpassung der optischen Photogrammetrie für das REM zum Zweck der 3D Oberflächenrekonstruktion wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Bei der optischen Photogrammetrie wird ein sich nicht bewegendes Objekt von einer Kamera kreisförmig umfahren und überlappende Fotos aufgenommen. Zeichnung 1, Teil 1 zeigt Aufnahmen überlappender Bilder durch kreisförmiges Umfahren der Probe bei der konventionellen optischen Fotografie.
  • Bei der optischen Photogrammetrie werden die Fotos anschließend mit einem der bekannten Softwareprogrammen für optische Photogrammetrie zu einem 3D Oberflächenmodell rekonstruiert. Beispiel für nutzbare optische Photogrammetriesoftware sind: VisualSFM (http://ccwu.me/vsfm/ (Freeware)), 123D Catch (http://www.123dapp.com/catch (kostenlos, Autodesk)), RECAP 360 (https://recap360.autodesk.com/signin.aspx (bei geringer Auflösung kostenlos, Autodesk)), oder PhotoScan (http://www.agisoft.ru/ (kommerziell, Agisoft)).
  • Zeichnung 1, Teil 2 zeigt die Übertragung der optischen Photogrammetrie auf die Besonderheiten des REM. Der Sekundärelektronen-Detektor des REM entspricht der optischen Kamera. Statt den fest eingebauten Detektor zu bewegen wird das Präparat schrittweise gedreht und auf diese Weise werden sich überlappende Bilder aufgenommen. Um die die Oberfläche des Präparates möglichst vollständig aufnehmen zu können, wird das Präparat dafür leicht gekippt. Siehe Zeichnung 1, Teil 2: Aufnahme überlappender Bilder mit dem REM durch das schrittweise Drehen einer leicht gekippten Probe (zum Beispiel 20° gekippt).
  • Die so erzeugten REM Aufnahmen werden mit der eigentlich für optische Fotografie entwickelten Software (siehe oben) zu einem 3D Oberflächenmodell zusammengesetzt. Im ersten Schritt werden die Bilder der gedrehten Probe von der Software als virtuelle Kamerapositionen in einer virtuellen Kreisbahn um eine unbewegliche Probe interpretiert. Siehe Zeichnung 2: Die in der Zeichnung auf einer Kreisbahn angeordneten Vierecke markierten virtuelle Kamerapositionen. Falls einzelne Bilder wegen technischer Mängel (zum Beispiel Unschärfe) nicht verwendet werden können (mit Stern markierte Positionen), ist wegen der Überlappung der Bilder dennoch eine 3D Rekonstruktion möglich. Zur Erhöhung der Detailauflösung können zusätzlich Bilder bei höherer Vergrößerung aufgenommen werden (innerer Kreis). Die auf der virtuellen Kreisbahn orientierten REM Aufnahmen werden dann von der eigentlich für optische Photogrammetrie entwickelten Software zur Berechnung des 3D Oberflächenmodells der REM Probe verwendet.
  • Zeichnung 3 des Ausführungsbeispieles zeigt das Ergebnis des neuen Verfahrens bei der 3D Oberflächenrekonstruktion einer REM Probe eines Nierenkörperchens (Glomerulus). 3.1 und die Ausschnittvergrößerung 3.3 zeigen zum Qualitätsvergleich ein Bild des Ausgangsmaterials, eines der für die Rekonstruktion verwendeten zweidimensionalen REM Bilder. 3.2 und Ausschnittvergrößerung 3.4 zeigen das Ergebnis des neues Verfahrens zur 3D Oberflächenrekonstruktion. Am Computer wurde das 3D Modell so gedreht und vergrößert, dass der vergleichbare Bereich wie in dem Bild in 3.1 im Ausgangsmaterial zu sehen ist. Der Maßstab entspricht ca. 10 μm.
  • Die vorliegende Erfindung kann überall dort verwendet, wo die Möglichkeit eine dreidimensionale Rekonstruktion einer sehr kleinen zu untersuchenden Probenoberfläche wichtig ist und die mit einem Rasterelektronenmikroskope untersucht werden kann. Rasterelektronenmikroskope werden in Forschung und Entwicklung in der Medizin, den Naturwissenschaften und in der Industrie (Materialforschung, Nanotechnologie) eingesetzt. Das neue Verfahren ist in den genannten Gebieten und auch der Hochschullehre einsetzbar.
  • Ohne eine besondere Probenaufarbeitung und und ohne technische Modifikationen am REM können schnell und mit einem geringen Aufwand, 3D Oberflächenmodelle mit hoher Detailauflösung erzeugt werden. Die Probe wird nicht zerstört. Herkömmliche Verfahren der 3D-Rekonstruktion rasterelektronenmikroskopischer Probenoberflächen sind deutlich aufwändiger und führen zu einer irreversiblen Zerstörung der Probe.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Hughes L., Hawes C., Monteith S., Vaughan S., Serial block face scanning electron microscopy-the future of cell ultrastructure imaging. Heft „Protoplasma”, Jahrgang 2014 Band 251(2), Seiten 395 bis 401 [0004]
    • Kim H.-W., Kim N., Kim K. W., Rhyu I. J., Three-dimensional imaging of cerebellar mossy fiber rosettes by ion-abrasion scanning electron microscopy. Heft „Microscopy and Microanalysis”. Jahrgang 2013 Supplement 5, Seiten 172 bis 177 [0004]
    • Roy, S., Meunier J., Marian A. M., Vidal F., Brunette I., Costantino S., Automatic 3D reconstruction of quasi-planar stereo Scanning Electron Microscopy (SEM) images. Heft „Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012 Annual International Conference of the IEEE”, Jahrgang 2012, Seiten 4361 bis 4364 [0004]
    • http://ccwu.me/vsfm/ [0008]
    • http://www.123dapp.com/catch [0008]
    • https://recap360.autodesk.com/signin.aspx [0008]

Claims (1)

  1. Verfahren zur dreidimensionale Rekonstruktion rasterelektronenmikroskopischer Abbildungen, gekennzeichnet durch Anpassung der optischen Photogrammetrie an die besonderen Eigenschaften der Rasterelektronenmikroskopie, die dadurch gekennzeichnet ist, dass a) das Präparates um seine Achse gedreht wird, dabei b) nach jedem Schritt mit dem Detektor des Elektronenmikrokopes ein Bild aufgenommen wird, der Ausschnitt der Aufnahme mit der vorherigen Aufnahme überlappt und c) dann die weitere Bearbeitung der Bilder zur dreidimensionale Rekonstruktion der Probenoberfläche mit der für die optische Photogrammetrie üblichen Software durchgeführt wird.
DE102014009239.9A 2014-06-20 2014-06-20 Dreidimensionale Rekonstruktion rasterelektronenmikroskopischer Abbildungen durch Anpassung der optischen Photogrammetrie Withdrawn DE102014009239A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014009239.9A DE102014009239A1 (de) 2014-06-20 2014-06-20 Dreidimensionale Rekonstruktion rasterelektronenmikroskopischer Abbildungen durch Anpassung der optischen Photogrammetrie

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014009239.9A DE102014009239A1 (de) 2014-06-20 2014-06-20 Dreidimensionale Rekonstruktion rasterelektronenmikroskopischer Abbildungen durch Anpassung der optischen Photogrammetrie

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102014009239A1 true DE102014009239A1 (de) 2015-12-24

Family

ID=54767734

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014009239.9A Withdrawn DE102014009239A1 (de) 2014-06-20 2014-06-20 Dreidimensionale Rekonstruktion rasterelektronenmikroskopischer Abbildungen durch Anpassung der optischen Photogrammetrie

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102014009239A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109709116A (zh) * 2018-11-23 2019-05-03 中国石油天然气股份有限公司 一种步进旋转样品台、微观颗粒三维表面成像方法及系统

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
http://ccwu.me/vsfm/
http://www.123dapp.com/catch
https://recap360.autodesk.com/signin.aspx
Hughes L., Hawes C., Monteith S., Vaughan S., Serial block face scanning electron microscopy-the future of cell ultrastructure imaging. Heft "Protoplasma", Jahrgang 2014 Band 251(2), Seiten 395 bis 401
Kim H.-W., Kim N., Kim K. W., Rhyu I. J., Three-dimensional imaging of cerebellar mossy fiber rosettes by ion-abrasion scanning electron microscopy. Heft "Microscopy and Microanalysis". Jahrgang 2013 Supplement 5, Seiten 172 bis 177
Roy, S., Meunier J., Marian A. M., Vidal F., Brunette I., Costantino S., Automatic 3D reconstruction of quasi-planar stereo Scanning Electron Microscopy (SEM) images. Heft "Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012 Annual International Conference of the IEEE", Jahrgang 2012, Seiten 4361 bis 4364

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109709116A (zh) * 2018-11-23 2019-05-03 中国石油天然气股份有限公司 一种步进旋转样品台、微观颗粒三维表面成像方法及系统
CN109709116B (zh) * 2018-11-23 2021-11-02 中国石油天然气股份有限公司 一种步进旋转样品台、微观颗粒三维表面成像方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mikula et al. Staining and embedding the whole mouse brain for electron microscopy
Friedrich et al. Insect morphology in the age of phylogenomics: innovative techniques and its future role in systematics
Sombke et al. Potential and limitations of X‐Ray micro‐computed tomography in arthropod neuroanatomy: A methodological and comparative survey
Dudak et al. High-contrast X-ray micro-radiography and micro-CT of ex-vivo soft tissue murine organs utilizing ethanol fixation and large area photon-counting detector
Horstmann et al. Serial section scanning electron microscopy (S3EM) on silicon wafers for ultra-structural volume imaging of cells and tissues
Wei et al. High-resolution three-dimensional reconstruction of a whole yeast cell using focused-ion beam scanning electron microscopy
Combes et al. An integrated pipeline for the multidimensional analysis of branching morphogenesis
Mizutani et al. Three-dimensional network of Drosophila brain hemisphere
Pajor et al. Seeing space: visualization and quantification of plant leaf structure using X-ray micro-computed tomography: View Point
Crouvisier-Urion et al. Four hundred years of cork imaging: New advances in the characterization of the cork structure
DE102009001910A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung dreidimensionaler Bilddaten
DE102016223797A1 (de) Röntgen-CT-Verfahren, Probenhalter und Röntgen-CT-Vorrichtung
Miyaki et al. Three-dimensional imaging of podocyte ultrastructure using FE-SEM and FIB-SEM tomography
Micieli et al. Accelerating neutron tomography experiments through artificial neural network based reconstruction
Schneider et al. Volume electron microscopy: analyzing the lung
Chaurand et al. Multi-scale X-ray computed tomography to detect and localize metal-based nanomaterials in lung tissues of in vivo exposed mice
Lewczuk et al. Field-emission scanning electron microscope as a tool for large-area and large-volume ultrastructural studies
DE102011084829B4 (de) Mikroskopie mehrerer Proben mit optischer Mikroskopie und Teilchenstrahlmikroskopie
Guérin et al. Targeted studies using serial block face and focused ion beam scan electron microscopy
Lakshman Application of conventional electron microscopy in aquatic animal disease diagnosis: A review
Dias et al. Comparative analysis of sample preparation protocols of soft biological tissues for morphometric studies using synchrotron-based X-ray microtomography
Romell et al. Laboratory phase‐contrast nanotomography of unstained Bombus terrestris compound eyes
Shami et al. 3-D EM exploration of the hepatic microarchitecture–lessons learned from large-volume in situ serial sectioning
Franke et al. Array tomography workflow for the targeted acquisition of volume information using scanning electron microscopy
DE102014009239A1 (de) Dreidimensionale Rekonstruktion rasterelektronenmikroskopischer Abbildungen durch Anpassung der optischen Photogrammetrie

Legal Events

Date Code Title Description
R086 Non-binding declaration of licensing interest
R012 Request for examination validly filed
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee