JP2021168292A - 断層撮影におけるランダムな角度のサンプリングのための回転するサンプルホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】再構成品質の良い断層撮影画像の取得方法を提供する。
【解決手段】サンプルホルダ１３０はサンプルSを保持し、サンプルが荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）または他の放射線源に露光されている間、サンプルを単一方向に連続的に回転させることができる。通常、ＣＰＢはストロボ発光されて、ランダムなまたは任意の回転角で一連のＣＰＢ画像を生成する。サンプルホルダは、サンプルが２回以上完全に一周するよう回転させることができる。ＣＰＢ画像は、断層撮影再構成において使用され、場合によっては、相対回転角度は、絶対回転角度の入力を伴わずに再構成において使用される。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、電子断層撮影に関する。

断層撮影画像化電子顕微鏡法は、複数の露光角度におけるサンプル画像の取得に基づいている。これらの角度は通常、サンプルを一連の上昇角度で進めることによって設定される。他の例では、角度はサンプルを前後に傾斜させることによって設定される。これらの従来のアプローチの１つの問題は、従来の電子顕微鏡で利用できる傾斜角度の範囲が限られていることである。さらに、特に前後の傾斜プロトコルでは、連続する大きな角度の移動および角度の方向の変化を考慮して、角度を正確に設定することが難しい場合がある。複数回開始および停止する必要があるため、前後の傾斜にも時間がかかる場合がある。さらに、従来の上昇角度サンプリング方式は、放射線に敏感なサンプルには最適ではなく、サンプルの傾斜が最小となる角度を最初にサンプリングすることが有益である可能性がある。これらの理由およびその他の理由により、代替的なアプローチが必要とされる。

本明細書に開示される断層撮影取得におけるランダムな角度のサンプリングは、再構成品質に有益であり得、動的に変形するサンプルの再構成を可能にし得る。本明細書に開示される典型的な実施例では、回転するサンプルホルダのストロボスコープ荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）露光は、断層撮影取得におけるランダムな角度のサンプリングを可能にする。サンプルは一定または可変の角速度において回転させることができ、サンプル角度は露光時間の選択によって選択することができる。本明細書で使用される場合、露光継続時間は、一般に、露光中のサンプル回転が許容できない画像のぼけを生成しないように選択され、このような露光は、本明細書では「ストロボスコープ」露光と呼ばれる。

代表的な方法は、サンプルを一方向に回転させることを含み、回転は連続的であり、サンプルは複数の旋回を通じて回転し、サンプルの完全な旋回のすべての角度が利用可能である。サンプルは、パルスレートにおいて、およびサンプルが回転している間に、複数の電子ビームパルスを用いて照明される。あるいは、Ｘ線を用いてサンプルを照射することもできる。照明することに応答して、サンプルの複数の画像が取得され、他の取得された画像のうちの少なくとも１つに対して異なる相対角度においてサンプルを用いて取得された各画像、および各取得された画像におけるサンプルの相対角度が決定される。いくつかの実施例では、サンプルの相対角度の決定を決定すること、画像のそれぞれの取得と協働して、または画像のそれぞれの取得の後に実施される。いくつかの実施形態では、各取得された画像におけるサンプルの絶対角度は、サンプルの断層撮影再構成に基づいて、サンプルの断層撮影再構成中に決定される。本明細書で使用される場合、絶対角度は、固定基準に対するサンプルの配向角度である。いくつかの例では、各取得された画像におけるサンプルの相対角度を決定することは、取得時に回転可能なサンプルホルダに結合されたエンコーダを読み取ることを含み、回転可能なサンプルホルダはサンプルを回転させる。本明細書で使用される場合、第１の角度で取得された第１の投影画像と第２の角度で取得された第２の投影画像との間の相対角度は、サンプルを第１の投影角度（すなわち、第１の投影方向）から第２の投影角度（すなわち、第２の投影方向）へと移動させるためにサンプルに適用するのに必要な回転として定義される。代表的な実施例では、各取得された画像のサンプルの絶対角度を決定することは、エンコーダの読み取り値に基づいている。他の実施例では、各取得された画像におけるサンプルの相対角度を決定することは、サンプルの再構成または回転時間に基づいて相対角度を決定することを含む。パルスレートは、サンプルの１旋回につき、または複数の旋回後に変化するなど、可変にすることができるか、またはパルスレートは、サンプルの各全回転後に変化させることができる。いくつかの実施例では、パルスレートは、サンプルの各全回転後に増加または減少し、回転は、一定または可変の速度で行われる。

代表的な装置は、複数の旋回を通じてサンプルを一方向に連続的に回転させるように動作可能な回転可能なサンプルホルダであって、サンプルの完全な旋回のすべての角度が利用可能である。電子ビーム源は、パルスレートにおいて、およびサンプルが回転している間に、複数の電子ビームパルスを用いてサンプルを照射するように動作可能である。複数の電子ビームパルスに対応するサンプルの複数の画像を取得するように動作可能な検出システム。検出システムは、サンプルの電子ビーム照射に応答する電子パルス部分を受信するように配置された電子検出器を含むことができ、各画像が、他の取得された画像のうちの少なくとも１つに対して異なる相対角度においてサンプルを用いて取得される。いくつかの実施形態では、コントローラは、各取得された画像におけるサンプルの相対角度または絶対角度を決定するように構成されている。いくつかの実施例では、エンコーダは、画像取得時に回転可能なサンプルホルダに結合されている。代表的な実施例によれば、電子ビーム源のパルスレートは、ランダムな間隔、非一定の間隔、またはポアソン分布間隔を使用して可変であり、電子ビーム源は、サンプルの各全回転後に変化するパルスレートにおいて電子ビームパルスを生成するように動作可能であり得る。

プロセッサ実行可能命令を含む少なくとも１つのコンピュータ可読媒体は、回転可能なサンプルホルダサンプルを複数の旋回を通じて一方向に連続的に回転させるように電子ビームシステムを制御するように構成されており、回転可能なサンプルホルダ上に配置されたサンプルホルダの完全な旋回のすべての角度が利用可能である。サンプルが回転している間、サンプルは、パルスレートにおいて複数の電子ビームパルスを有する電子ビーム源を用いて照射することができる。サンプルの複数の画像は、複数の電子ビームパルスの各々、および取得された複数の画像に基づいてサンプルの再構成に対応して取得される。

いくつかの実施例では、方法は、少なくとも１つの全回転旋回を含む角度範囲を通じてサンプルを一方向に回転させることを含む。一方向回転の間、回転するサンプルは、複数の角度においてストロボスコープで照射され、サンプル画像は、対応する複数の角度の各々において取得される。場合によっては、サンプルの断層撮影画像がサンプル画像に基づいて生成される。いくつかの実施例によれば、サンプル画像に関連付けられた相対回転角度または絶対回転角度は、サンプル画像の取得前、取得後、または取得中に決定される。場合によっては、サンプル画像に関連付けられたサンプルの相対角度および／またはサンプルの絶対角度は、断層撮影再構成に基づいて決定される。さらなる実施形態では、サンプルは回転可能なサンプルホルダに固定され、相対回転角度および／または絶対回転角度は、回転可能なサンプルホルダに結合されたエンコーダを用いて決定される。いくつかの実施例では、回転するサンプルは、可変パルスレート、固定パルスレート、またはポアソン分布間隔などのランダムな時間間隔においてストロボスコープで照射される。さらなる実施例では、回転サンプルのストロボスコープ露光は、回転するサンプルの角度または回転数に基づいて決定される可変パルスレートである。代表的な実施例によれば、サンプルは、複数の全回転を含む角度範囲全体にわたって一方向に回転される。

代表的な装置は、切り替え可能な荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）源と、サンプルを少なくとも１つの完全な旋回によって回転させるように動作可能な回転可能なサンプルステージと、を含む。コントローラは、ＣＰＢ源および回転可能なサンプルステージに結合され、サンプルの一方向回転中に複数の角度において回転可能なサンプルステージ上に配置されたサンプルを露光するように構成されており、複数の露光角度は、３６０°よりも大きい範囲にある。いくつかの実施例では、コントローラは、サンプルをＣＰＢにストロボスコープで露光するために、サンプルの一方向回転中に複数の角度においてＣＰＢ源を起動するように結合される。他の実施例では、コントローラは、サンプルの一方向回転中にサンプルが複数の角度においてＣＰＢにストロボスコープで露光されるように、ＣＰＢをブランキングするように結合される。いくつかの実施形態によれば、回転エンコーダは、回転可能なサンプルステージに結合され、露光角度の各々に対して相対回転角および絶対回転角のうちの少なくとも１つを提供する。いくつかの実施例では、コントローラは、固定もしくは可変レートまたはランダムな時間においてストロボスコープの露光を確立する。さらなる実施例では、少なくとも１つのＣＰＢ検出器が、サンプルのＣＰＢ露光に応答して生成された放射線を検出し、対応する断層撮影画像を生成するように結合される。実施形態では、コントローラは、断層撮影画像および複数の角度に基づいてサンプルに対応する断層撮影再構成を生成し、断層撮影再構成中に複数の角度の推定値を生成するように結合される。

電子ビーム装置は、電子ビーム源に結合されるように配置されたコントローラを備える。少なくとも１つのコンピュータ可読媒体がコントローラに結合されており、コントローラに、サンプルの一方向回転中に複数の任意の角度においてサンプルをストロボスコープで照射するように電子ビーム源を向けさせ、対応する複数の角度の各々においてサンプル画像を取得させるためのコントローラ実行可能命令を含む。いくつかの実施例によれば、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体は、サンプル画像に基づいてサンプルの断層撮影画像を再構成し、サンプル画像に関連付けられた相対回転角度および／または絶対回転角度を決定するためのコントローラ実行可能命令をさらに含む。いくつかの実施例では、サンプル画像に関連付けられた相対回転角度および／または絶対回転角度は、サンプル画像の取得後に決定されるか、または断層撮影再構成に基づいて決定される。追加の実施例では、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体は、回転可能なサンプルホルダに結合されたエンコーダを用いて相対回転角度および／または絶対回転角度を決定するためのコントローラ実行可能命令をさらに含む。他の代表的な実施形態では、コントローラは、電子ビーム源を、サンプルの一方向回転中に複数の任意の角度において、またはポアソン分布間隔などのランダムな時間間隔に基づく可変パルスレートにおいてストロボスコープで照射するように向けるように結合されており、任意の角度の角度範囲は、複数の全回転を含む。

開示された技術の前述および他の特徴は、添付図面を参照しながら説明する、以下の発明を実施するための形態から、より明らかになるであろう。

回転可能なサンプルステージを含む代表的なＣＰＢ顕微鏡を示す。 図１ＡのＣＰＢ顕微鏡を用いて得られた代表的なサンプルの回転を示す。 図１ＡのＣＰＢ顕微鏡を用いて得られた代表的なサンプルの回転を示す。 図１ＡのＣＰＢ顕微鏡を用いて得られた代表的なサンプルの回転を示す。 回転のために配置された代表的な針またはカラムの形状のサンプルを示す。 連続回転可能なサンプルステージを用いた断層撮影のためのランダムな角度のＣＰＢ画像を取得するための別の代表的なシステムを示す。 連続回転可能なサンプルステージを用いた断層撮影のためのランダムな角度のＣＰＢ画像を取得するための代表的なシステムを示す。 回転するサンプルのランダムな角度のストロボスコープ露光を用いて取得された画像を使用して断層撮影再構成を生成する代表的な方法を示す。 サンプル回転速度の関数としてのランダムな露光時間に基づいて、サンプル画像を取得する代表的な方法を示す。 ＤＣモータで回転可能なサンプルステージを用いてＣＰＢ画像を取得するための代表的なシステムを示す。 断層撮影再構成のためにＣＰＢ画像を取得する別の方法を示す。 断層撮影再構成のための画像の取得および分析のための代表的なコンピューティング環境を示す。

本明細書に開示されるのは、荷電粒子断層撮影のための方法および装置である。通常、サンプルは、荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）に対して繰り返し露光されるように、回転可能なサンプルステージに配置される。開示された実施例は、一般に、透過型電子顕微鏡法を参照して説明されているが、他のＣＰＢを使用することができる。あるいは、サンプルをＸ線を用いて照射し、Ｘ線に基づく画像を取得することができる。いくつかの実施例では、ランダムな角度または他の一連の角度における回転するサンプルのストロボスコープ照明を使用して、断層撮影再構成で使用される一連の画像を取得する。サンプルは均一な角速度で回転することができ、ランダムな角度露光は、必要に応じて生成するか、またはメモリなどのコンピュータ可読記憶装置から取得することができる１つ以上の一連の角度値に基づいて確立することができる。角度は、サンプルの回転に関連付けられた位相、サンプルの回転速度に基づく一連の露光時間に基づいているか、画像取得中にランダムに生成されるか、またはその他の方法で指定され得る。サンプルは、固定速度または可変速度で回転させ、回転中にストロボスコープで照射することができる。ストロボスコープ照射は、ランダムな時間継続時間回転を含む固定または可変のレートであってもよい。照射角度は、照射前、照射中、または照射後に決定することができ、照射角度は、ランダムな角度を含む、固定または可変の角度分布にすることができる。

本明細書で使用される場合、「カラム」は、一般に、１つ以上のＣＰＢ光学素子、またはＣＰＢ光源、ＣＰＢレンズ、ＣＰＢ偏向器、ＣＰＢアパーチャ、スティグメータ、または他のＣＰＢ光学素子などの要素の組み合わせを指す。１つまたはそのような光学素子を使用して、パルス露光を提供するために、サンプルに向けることができるパルスＣＰＢを生成することができる。このようなパルス露光は、一般に「ストロボスコープ」露光と呼ばれて、有効な露光時間は、好適な画像が生成されるサンプルの回転に対して十分に短く、すなわち、過度な動きによるブレがないことを示す。好適な露光時間は、０．０００１、０．００１、０．０１度または他の角度未満の回転に対応することができる。任意の許容される最大露光継続時間の指定は、画像の倍率および目的の解像度によって異なってもよい。開示された実施例では、ＣＰＢまたはＣＰＢカラムが通電されて、ストロボスコープＣＰＢ露光を生成するが、連続ＣＰＢは、ストロボスコープ検出、すなわち、ＣＰＢ露光に応答して生成され、検出時間枠において受信される荷電粒子または電磁放射の検出（本明細書では「ストロボスコープ」検出と呼ばれる）とともに使用することができる。ストロボスコープ露光では、ＣＰＢは、ストロボスコープ成分に加えて連続成分を有する場合がある。多くの実用的な実施例では、連続成分を含むＣＰＢ露光によって生成されるサンプルの劣化を減少させるために、パルス露光が好ましい。連続成分は、断層撮影画像を改善することなく、望ましくないサンプルの変化に寄与する可能性がある。

いくつかの実施例では、サンプル画像は、ランダムな角度またはランダムな角度差などの、複数の角度における露光を使用して取得される。本明細書で使用される場合、ランダムまたはランダムな選択は、不均等な間隔であり、乱数または疑似乱数生成器を使用して選択することができるか、それ以外の方法でランダムに選択された値を近似することができる値を指す。このようなランダムな値の任意のセットは、一般に、いわゆる擬似乱数生成器を用いて選択できることが理解されよう。ランダムな値の１つ以上のセットを使用することができ、異なるセットは、異なる値および／または異なる数の値を含むことができる。角度、露光時間、または位相に関連付けられた値は、対応する乱数のセット、および対応する角度、露光時間、または位相を確立するために処理されたセットの乱数に基づいて決定することができる。例えば、０〜１のＮ個の乱数Ｒ_ｉのセットが得られた場合、角度α_ｉは、πＲ_ｉラジアン、２πＲ_ｉラジアン、またはより一般には、ＡπＲ_ｉラジアンとして選択することができ、Ａπラジアンは使用される全角度範囲である。角度α_ｉは、正および負として指定することができ、任意の特定の角度α_ｉにおける露光は、複数の回転を含むことができ、すなわち、α_ｉは、ラジアンｍｏｄｕｌｏ−２πまたはｍｏｄｕｌｏ−πの回転角度である。露光時間、相対時間、位相、および相対位相は、乱数のセット基づいて同様に指定することができる。乱数生成器を使用して、必要に応じてその場で値を生成することもできる。いくつかの実施例では、選択または生成された値が画像再構成に使用され、セットの各画像は、特定の値を有するそれぞれの乱数に関連付けられる。

いくつかの実施例では、便宜上、一定のサンプル回転速度を使用してサンプル露光を行うが、単調に増加もしくは減少する速度、または任意の増加および減少するレートなどの不均一な速度を使用することができる。均一で一定の回転を用いて、サンプルはランダムな露光角度で取得される。上述したように、このようなランダムな露光は、必要に応じて記憶または生成することができるランダムな露光時間または回転位相に基づくことができる。あるいは、サンプルの回転をランダム速度などの可変速度にすることができ、露光時間は一定の遅延によって分離することができる。

いくつかの実施例では、回転速度は一定または可変であり、ストロボスコープ露光は、ランダムな、可変レートの固定された、またはこれらの組み合わせなどの、異なるパルス分布を有することができる。相対および／または絶対露光角度は、一部またはすべての画像の取得後に決定することができる。

実施例１
図１Ａを参照すると、ＣＰＢシステム１００は、エミッタチップ１０６からＣＰＢを生成する、電界エミッタ１０４または他の放出源を含むことができるＣＰＢエミッタ１０２を含む。ＣＰＢ電流は、エミッタ駆動装置１０７によって提供されるように、電界エミッタ１０４またはエミッタチップ１０６に印加された電圧のうちの１つ以上のよって制御することができる。サプレッサ電極１０８は、通常、浮遊荷電粒子放出を抑制するように、電界エミッタ１０４の周りに配置され、エクストラクタ電極１１０は、選択済ＣＰＢ電流を誘導するように、エミッタチップ１０６に対して電圧を確立するように配置される。ビーム電流駆動装置１１２は、サプレッサ電極１０８およびエクストラクタ電極１１０に結合されている。図１Ａに示すように、サプレッサ電極１０８、エクストラクタ電極１１０、および電界エミッタ１０４もしくはエミッタチップ１０６のいずれかまたはすべてを、エミッタ駆動装置１０７またはビーム電流駆動装置１１２を用いて制御して、パルスＣＰＢまたは他の可変ＣＰＢを生成し、サンプルＳをストロボスコープで露光できるようにすることができる。１つ以上の追加のビームアパーチャは、ＣＰＢシステム軸１１９に沿って配置することができ、例えば、所定の露光時間において除いてＣＰＢを遮断することによってＣＰＢを制御するために使用することができる。例えば、アパーチャプレート１１８に画定されたアパーチャを使用して、偏向ドライバ１２０から共振ビーム偏向器などのビーム偏向器１２２への偏向電圧の印加に応答して、ＣＰＢを遮断または減衰させることができる。ビーム偏向器１２２が作動すると、ＣＰＢ１２６は、アパーチャプレート１１８によって遮断されるように偏向される。追加のアパーチャおよび偏向器を提供することができるが、図１Ａには示されていない。図１Ａの実施例は、ガンレンズを使用してビーム変調を提供することもできるが、そのようなレンズは、示されていない。１つ以上のＣＰＢレンズ、偏向器、アパーチャプレート、または他のＣＰＢ光学素子を駆動することによって提供されたＣＰＢ変調に加えて、パルス化されたまたは変調された光ビーム（単数または複数）を用いた好適なターゲットの照射に応答して、パルスＣＰＢ放出を生成することができる。このようなＣＰＢは、必要に応じてＣＰＢ光学素子を使用してさらに変調されることができる。

サンプルＳは、モータまたは他の機構１３２の作動に応答して、軸１３４の周りで所望の角度αまで回転可能なサンプルステージ１３０上に配置されている。いくつかの実施形態では、サンプルの連続回転に起因して、サンプルのすべての角度が利用可能であり得る。すべての角度が利用可能であるが、サンプルの形状によっては、データ収集が限られることに起因して、一部の角度が回避される場合がある。例えば、ＣＰＢがサンプルの比較的長い部分を透過することを必要とするサンプルの面を提示する角度は、望ましくない場合がある。通常、サンプルは複数の角度を通じて調整され、対応するストロボスコープ（パルス）電子ビーム放出が適用して、荷電粒子（例えば、散乱ＣＰＢ部分、二次電子）または電磁放射（例えば、Ｘ線）が生成され、これらは検出器１４０によって受信されて対応する画像を生成する。これらの画像は、その後、断層撮影で処理することができる。コントローラ１４２は、ストロボスコープＣＰＢ放出を生成し、軸１１９に対して複数の角度においてサンプルＳを配置するように結合されている。角度はランダムな角度とすることができ、軸１１９の周りのサンプルＳの１つ以上の完全な回転を含むことができる。コントローラは、通常、所望の角度で画像を得るように、パルスタイミングおよびパルス分布を制御する。

図１Ｂ〜図１Ｄは、任意の回転を提供するためのサンプルＳの一方向の回転を示している。これらの実施例では、初期のほぼ垂直な入射露光を使用して、この露光のあらゆるサンプル劣化を減少させることができる。便宜上、有効回転角度αは、π／２未満のサンプルＳの時計回りの回転に対して正であるとみなされ、有効回転角αは、π／２未満のサンプルＳの反時計回りの回転に対して負であるとみなされる。便宜上、有効回転角度は、ＣＰＢシステム軸１１９を基準としている。任意の初期回転角度において開始する任意のサンプル回転は、時計回りまたは反時計回りの連続回転を使用して実現できる。図１Ｂに示すように、サンプルＳは、ＣＰＢシステム軸１１９とサンプル表面法線１２９とが実質的に平行になるように、すなわち、α_１＝０になるように配置されている。図１Ｃでは、サンプルＳは、サンプルＳがＣＰＢシステム軸１１９に対してα_２＞０の角度において配置されるように、時計方向に回転される。図１Ｄでは、サンプルＳは、サンプルＳがＣＰＢシステム軸１１９に対して角度α_３＜０において配置されるように、角度２π−｜α_３｜だけさらに時計回りに回転される。追加の回転角度は、回転方向を変化させることなく、サンプルＳの追加の完全な回転旋回を使用して得ることができる。時計回りまたは反時計回りの回転を使用して、サンプル回転角度任意のセットα_１， ． ． ． ，α_Ｎを得ることができ、初期露光のために任意の特定の角度を使用することができる。これらの回転角度はすべて、必要に応じて一方向の回転を用いて提供することができる。

図１Ａ〜図１ＤのサンプルＳはラメラとして示されているが、他の形状を使用することができる。図１Ｅに示すように、サンプルＳ’は、カラム、ピラー、または針の形状を有し、同様に回転することができる。

いくつかの実施例では、より小さな傾斜角度に関連付けられた画像は、より大きな傾斜において画像を取得する前に取得される。例えば、一連の小さな傾斜（ＣＰＢシステム軸に対して時計回りと反時計回りとの両方）における露光を最初に得ることができ、露出によっては、３６０度よりも大きい一方向のサンプル回転または複数の旋回を必要とする場合がある。傾斜角度αは一般に、３６０度を法として得られる。次に、より大きな傾斜において露光を行うことができ、そのような露光は、３６０度よりも大きい一方向のサンプル回転を必要とする場合がある。

実施例２
図２を参照すると、ＣＰＢ顕微鏡または他のＣＰＢ画像化システム２００は、軸２０１の周りでサンプルＳを回転させるように配置されたサンプルステージ２０２を含む。典型的な実施例では、このような回転は連続的であり、回転角度は、１８０度、３６０度、７２０度、または他の値まで大きくすることができる。ステージドライバ２０６は、サンプルステージ２０２のこのような回転を生成するように作動可能である。サンプルステージ２０２および／またはステージドライバ２０６は、試験片の回転角度を決定できるようにする回転式エンコーダ２０８に結合されている。ステージドライバ２０６および回転式エンコーダ２０８は、一般に、ステージの回転を開始または調整することができるコントローラ２１０に結合されている。コントローラ２１０はまた、それぞれのストロボスコープ露光を定義する一連の値を記憶するメモリ２１２に結合されている。このような値は、例えば、一連の露光時間、サンプル傾斜角度、または露光間の相対位相もしくは時間差として記憶することができる。いくつかの例では、実際の露光時間は、サンプルの所定の回転に基づいて、またはサンプルステージ２０２の固定もしくは可変の回転速度に基づいて計算される。

コントローラ２１０は、ＣＰＢ源および／またはカラム２１３に結合されて、記憶された一連の値に基づいてパルスＣＰＢ２１４を生成する。検出器２１８は、散乱電子、二次電子、Ｘ線、または他の荷電粒子もしくは中性粒子、または他の電磁放射などのパルスＣＰＢ２１４に応答して生成される荷電粒子または電磁放射を受信するように配置されている。検出器２１８は、パルス露光に関連付けられた画像を、メモリ２２０に記憶されたコンピュータ実行可能命令を使用して断層撮影処理のために記憶することができるように、コントローラ２１０に結合される。あるいは、コントローラ２１０は、有線または無線ネットワークを介して、断層撮影処理、再構成、および表示のために任意の場所に画像を通信することができる。

実施例３
図３を参照すると、ＣＰＢ画像化システム３００は、サンプルＳを受け取るように構成されたサンプルステージ３０２を含む。ステージドライバ３０４は、軸３０１の周りのサンプル回転を生成するように、サンプルステージ３０２に結合される。ほとんどの場合、サンプルステージ３０２を伴うサンプルＳの並進運動が提供されるが、並進構成要素は図３に詳細に示されていない。ステージドライバ３０４は、固定周波数ｆにおいてサンプル回転を生成することができる。この周波数は、ステージドライバ３０４への１つ以上のユーザまたはコントローラ入力を用いて設定することができるが、内部で固定することもできる。ほとんどの場合、サンプル回転の開始は、画像取得の準備としてユーザ入力によって提供される。図示するように、ステージドライバ３０４は、１つ以上の出力で固定周波数ｆの指示を提供することができる。パルスシーケンサ３１０は、一連のサンプル角度または角度差においてサンプルＳのストロボスコープ露光を生成するように、ＣＰＢ源またはカラム３１２に結合される。パルスシーケンサ３１０はまた、ストロボスコープ露光の時間または相対時間の他の指示のデータ値を出力することもできる。検出器３１４は、ストロボスコープ露光に応答する放射線を受信し、断層撮影画像を生成するための遠隔または局所処理のために出力することができる、対応するサンプル画像を生成する。図３に示すように、サンプル角度は測定されず、再構成は、一連の角度または角度差に基づく。

実施例４
図４を参照すると、代表的な方法４００は、４０２において、パルス分布を選択することを含み、パルス分布は、サンプル角度α_１， ． ． ． ，α_Ｎに関連付けることができ、ここで、Ｎは正の整数である。パルス分布は、露光時間、露光レートもしくはレートの組み合わせ、またはランダムな時間として直接指定することができる。露光時間は、サンプルの回転に対する相対位相として、角度に直接関連付けることもでき、または他の方法で都合に合わせて指定することもできる。通常、角度はランダムである。４０４において、ストロボスコープ画像は、一方向のサンプル回転を用いてパルス分布のパルスの各々に対して取得される。場合によっては、パルス分布は、サンプル角度α_１， ． ． ． ，α_Ｎを生成し、これらは、（ラジアン単位で）モジュロ−２π、モジュロ−π、またはその他の方法で指定され、９０度、１８０度、または３６０度よりも大きい１つ以上の回転を用いて達成することができる。パルスの各々に対するストロボスコープ画像は、次に４０６において、断層撮影再構成を生成するために処理される。

実施例５
図５を参照すると、方法５００は、５０２においてサンプル回転速度ｆ（ｔ）を確立することを含み、通常、一定のレート、すなわち、ｆ（ｔ）＝一定であるが、任意の可変回転速度を使用することができる。一般に、露光中にサンプルの回転が単一方向で行われるように、単極レートが好ましい（ｆ（ｔ）＞０ラジアン／秒）。一方向の動きは、方向の変化に関連付けられた回転アーチファクトを減少または排除し、より迅速なサンプルの回転を可能にし、したがって、連続的により迅速に変化する（相対的な）角度におけるサンプルの画像化を可能にし得る。５０４において、露光時間／パルス分布が選択される。露光時間は、ランダムな露光時間を生成するためにスケーリングされた乱数を使用して確立することができる。固定または可変のｆ（ｔ）の場合、サンプル露光時間は均一な間隔にすることができるか、または均一な間隔とランダムな間隔との組み合わせ、もしくはいくつかのその他の分布に基づくことができる。ランダムな回転も使用することができるが、一般に、露光中に多かれ少なかれ一定の回転速度を維持することがより便利であるため、図５には示されていない。５０６でにおいて、ストロボスコープ露光を使用して、露光時間の各々に対して画像を得て、画像を、５０８における断層撮影処理または記憶のために通信することができる。場合によっては、関連する露光角度は画像とともに通信されないが、通常、各画像および関連する角度は通信される。

実施例６
図６を参照すると、ＣＰＢ画像化システム６００は、サンプルＳを保持するように構成されたサンプルステージ６０２を含む。サンプルステージ６０２は、サンプルＳがＣＰＢ露光軸６０８に対して非平行（通常は垂直）である軸６０６の周りを任意の角度αだけ回転可能であるように、ＤＣモータ６０４に結合されている。エンコーダ６１０は、パルスＣＰＢ６１５へのサンプルＳのストロボスコープ露光を提供するＣＰＢ源またはＣＰＢカラム６１４に結合されたコントローラ６１２に回転角度の指示を提供する。検出器６１６は、パルスＣＰＢ６１５への露光に応答して、サンプルＳから電磁放射または荷電粒子６２０を受信するように配置されている。例えば、Ｘ線、二次電子、散乱電子、または他の散乱、反射、回折された荷電粒子を生成することができる。検出器６１６は、コントローラ６１２に結合され、画像データをコントローラ６１２に提供する。コントローラ６１２は、受信された画像を処理し、受信された画像を遠隔処理に向け、ＣＰＢ源／カラム６１４、ＤＣモータ６０４、サンプルステージ６０２を制御するとともに、エンコーダ６１０から回転データを受信するように構成することができる。

実施例７
図７を参照すると、断層撮影処理のために画像を取得する方法７００は、初期回転角度および７０２における回転周波数を確立することを含む。７０４において、カウンタＩが初期化され、ここで、Ｉは正の整数であり、７０６において、サンプルは、時間Ｔ_Ｉにおいて露光される。７０８において、露光に応答して得られた画像が記憶され、７１０において、追加の露光を得るかどうかが決定される。得る場合、７１２において、カウンタＩが増分され、露光および画像記憶が繰り返される。露光が完了すると、７１４において、取得された画像は、断層撮影再構成のために通信される。

実施例８
図８および以下の考察は、開示された技術が実装され得る例示的なコンピューティング環境の簡潔で一般的な説明を提供することを意図している。必須ではないが、開示された技術は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）によって実行されるプログラムモジュールなどのコンピュータ実行可能命令の一般的な文脈で説明される。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実施するか、または特定の抽象データ型を実施する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造などを含む。さらに、開示された技術は、ハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサに基づくかまたはプログラム可能な家電製品、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含む他のコンピュータシステム構成を用いて実施することができる。開示された技術はまた、タスクが、通信ネットワークを介してリンクされているリモート処理デバイスによって実行される、分散型コンピュータ環境においても実践され得る。分散型コンピュータ環境では、プログラムモジュールは、ローカルおよびリモートメモリ記憶デバイスの両方に位置することができる。

図８を参照すると、開示された技術を実装する例示的なシステムは、１つ以上の処理ユニット８０２、システムメモリ８０４、および、システムメモリ８０４を含む様々なシステムコンポーネントと１つ以上の処理ユニット８０２を結合する、システムバス８０６を含む、例示的な従来のＰＣ８００の形態である、汎用コンピューティングデバイスを含む。システムバス８０６は、様々なバスアーキテクチャのうちの任意のものを使用する、メモリバスまたはメモリコントローラ、周辺バス、およびローカルバスを含む数種のバス構造のうちのいずれかであってもよい。例示的なシステムメモリ８０４は、読取専用メモリ（ＲＯＭ）８０８およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８１０を含む。ＲＯＭ８０８には、ＰＣ８００内の要素間の情報の転送を助ける基本ルーチンを包有する基本入出力システム（ＢＩＯＳ）８１２が記憶されている。

例示的なＰＣ８００は、ハードディスクから読み書きするためのハードディスクドライブ、取り外し可能な磁気ディスクから読み書きするための磁気ディスクドライブ、および取り外し可能な光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭまたは他の光媒体など）から読み書きするための光ディスクドライブなどの１つ以上の記憶デバイス８３０をさらに含む。このような記憶デバイスは、それぞれ、ハードディスクドライブインターフェース、磁気ディスクドライブインターフェース、および光学ドライブインターフェースによってシステムバス８０６に接続することができる。ドライブおよび関連するコンピュータ可読媒体は、ＰＣ８００用のコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、および他のデータの不揮発性記憶を提供する。他のタイプのコンピュータ可読媒体は、磁気カセット、フラッシュメモリカード、デジタルビデオディスク、ＣＤ、ＤＶＤ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのような、ＰＣによってアクセス可能なデータを記憶することができ、例示的な動作環境において使用することもできる。

いくつかのプログラムモジュールは、オペレーティングシステム、１つ以上のアプリケーションプログラム、他のプログラムモジュール、およびプログラムデータを含む記憶デバイス８３０に格納することができる。ユーザは、キーボードなどの１つ以上の入力デバイス８４０およびマウスなどのポインティングデバイスを介して、コマンドおよび情報をＰＣ８００に入力することができる。他の入力デバイスは、デジタルカメラ、マイクロフォン、ジョイスティック、ゲームパッド、衛星放送受信機、スキャナなどを含むことができる。これらおよび他の入力デバイスは、しばしば、システムバス８０６に結合されるシリアルポートインターフェースを介して１つ以上の処理ユニット８０２に接続されるが、パラレルポート、ゲームポート、またはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）などの他のインターフェースによって接続されてもよい。モニタ８４６または他のタイプの表示デバイスもまた、ビデオアダプタなどのインターフェースを介してシステムバス８０６に接続されている。スピーカおよびプリンタ（図示せず）のような他の周辺出力デバイスを含めることができる。

ＰＣ８００は、リモートコンピュータ８６０などの１つ以上のリモートコンピュータへの論理接続を使用してネットワーク環境で動作することができる。いくつかの例では、１つ以上のネットワークまたは通信接続８５０が含まれる。リモートコンピュータ８６０は、別のＰＣ、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、またはピアデバイスもしくは他の共通ネットワークノードであってもよく、典型的には、ＰＣ８００に関して上述した要素の多くまたはすべてを含むが、図８にはメモリ記憶デバイス８６２のみ図示されている。パーソナルコンピュータ８００および／またはリモートコンピュータ８６０は、論理ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）およびワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）に接続することができる。このようなネットワーキング環境は、オフィス、企業規模のコンピュータネットワーク、イントラネット、およびインターネットでは通常である。

ＬＡＮネットワーキング環境において使用される場合、ＰＣ８００は、ネットワークインターフェースを介してＬＡＮに接続される。ＷＡＮネットワーキング環境において使用される場合、ＰＣ８００は、通常、インターネットなどのＷＡＮを介した通信を確立するためのモデムまたは他の手段を含む。ネットワーク環境では、パーソナルコンピュータ８００に関連して図示されたプログラムモジュールまたはその部分は、リモートメモリ記憶デバイスまたはＬＡＮもしくはＷＡＮ上の他の場所に記憶されてもよい。示されているネットワーク接続は例示であり、コンピュータ間の通信リンクを確立する他の手段が使用されてもよい。

図８に示すように、メモリ８１０は、ランダムシーケンスを生成する（または１つ以上のそのようなシーケンスを記憶する）ためのコンピュータ実行可能命令を記憶し、画像データを記憶し、ステージおよびＣＰＢシステム制御をそれぞれ記憶する部分８０４Ａ、８０６Ｂ、８０６Ｃを含む。ＣＢＰシステムまたはＣＰＢシステムに関連付けられた構成要素との通信は、１つ以上のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）８７０または１つ以上のデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）８７１を用いて提供される。

一般的な考慮事項
本出願および特許請求の範囲において使用される、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単数形は、文脈上他に明確に指示されない限り、複数形も含む。加えて、「含む」という用語は、「備える」を意味する。さらに、「結合された」という用語は、結合された項目間の中間要素の存在を排除するものではない。

本明細書に記載のシステム、装置、および方法は、多少なりとも制限的なものとして解釈されるべきではない。代替的に、本開示は、単独で、ならびに相互の様々な組み合わせおよび部分的な組み合わせにおいて、様々な開示された実施形態のすべての新規でかつ非自明な特徴および態様を対象とする。開示されたシステム、方法、および装置は、任意の特定の態様もしくは特徴またはそれらの組み合わせに限定されず、開示されたシステム、方法、および装置は、任意の１つ以上の特定の利点が存在すべきである、または問題が解決されるべきであることも必要としない。いずれの動作理論も説明を容易にするためであるが、開示されたシステム、方法、および装置は、そのような動作理論に限定されない。

開示された方法のいくつかの動作は、便宜的な提示のため、特定の順番で記載されているが、以下に記載される具体的な用語によって特定の順序が要求されない限り、この説明様式が並び替えを包含することを理解されたい。例えば、順に記載される動作は、場合によっては、並び替えられるかまたは同時に実施され得る。さらに、単純化のために、添付の図は、開示されたシステム、方法、および装置を、他のシステム、方法、および装置とともに使用することができる様々な方式を示していない場合がある。加えて、説明は、時に、開示された方法を説明するために、「生成する」および「提供する」のような用語を使用する。これらの用語は、実施される実際の動作の高レベルの抽象化である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実施に応じて、様々であり、当業者には容易に認識可能である。

いくつかの例では、値、手順、または装置は、「最低」、「最良」、「最小」などと言及される。そのような記載は、多くの使用される機能的選択肢からの選択が可能であることを示すことを意図しており、そのような選択は、他の選択よりも優れている、小さい、または他の点で好ましい必要はないことが理解されよう。

例は、「上に」、「下に」、「上の」、「下の」などとして示される方向に言及して説明される。これらの用語は、説明の便宜上使用されているが、特定の空間的方向性を示唆するものではない。

「画像」という用語は、本明細書では、コンピュータモニタなどに表示された画像、または表示される画像を生成するために使用できるデジタルまたはアナログ表現を指すために使用される。デジタル表現は、ＪＰＥＧ、ＴＩＦＦ、またはその他の形式など、様々な形式で記憶することができる。画像信号は、サンプルの好適なスキャンとともに、アレイ検出器または単一の元素検出器を使用して生成することができる。最も実用的な例では、画像は二次元である。

サンプルステージの回転には、ＤＣモータ、ステッピングモータ、回転式圧電モータ、ＡＣモータ、またはその他のデバイスを含む、様々な種類のモータおよびアクチュエータを使用することができる。回転角度は、光学式エンコーダ、磁気式エンコーダ、またはその他のデバイスを用いて検出することができる。連続回転とは、画像取得中に進行できる回転を指す。例えば、ステッピングモータに駆動信号を印加して回転を生成するシーケンスは、画像取得中に継続することができ、選択された画像化角度における待機時間は必要とされない。ステッピングモータを使用しているが、回転は連続的なものであると考えられる。他の実施例では、連続（すなわち、非ステッピング）モータがサンプルを自由に回転させることができる。画像はランダムな時間において取得することができる。いくつかの実施例では、ポアソン分布に基づいてランダムな時間間隔が選択される。この場合、最小の時間間隔Δｔと平均時間間隔

が選択され、関連するポアソン分布は次式のように定義される。

式中、ｎは整数の時間間隔であり、画像取得のためのサンプル時間間隔はｎΔｔとして選択される。このような時間間隔は、乱数または疑似乱数などのコンピュータ実行可能命令を使用して定義された好適なランダムプロセスを使用して実装することができる。

場合によっては、角度範囲を粗くサンプリングしてから精緻化する。例えば、２０°の角度ステップが使用され、続いて５°のステップ（以前にサンプリングされた角度をスキップする）、次に１°のステップ（以前にサンプリングされた角度をスキップする）が続く。「線量対称」と呼ばれる別の例では、取得は０°のサンプル傾斜において始まり、＋°２、−２°、＋４°、−４°、＋６°、−６°などの角度が続く。さらに他の実施例では、どの角度が最も有用な情報を含むかを検出できるオンザフライ再構成を使用して、１つ以上の角度を選択することができる。

本開示の技術の原理を適用できる多数の可能な実施形態の観点では、図示された実施形態は好ましい実施例のみであり、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないと認識すべきである。したがって、我々は、添付の請求項の範囲および趣旨に含まれるすべてのものを主張する。

Claims (21)

1. 方法であって、
   サンプルを一方向に回転させることであって、前記回転が連続的であり、前記サンプルが複数の旋回を通じて回転し、前記サンプルの完全な旋回のすべての角度が利用可能である、回転させることと、
   複数の電子ビームパルスを用いて前記サンプルを照明することであって、パルスレートにおいて、および前記サンプルが回転している間に実施される、照明することと、
   前記照明することに応答して、前記サンプルの複数の画像を取得することであって、各画像が、他の取得された画像のうちの少なくとも１つに対して異なる相対角度において前記サンプルを用いて取得される、取得することと、
   各取得された画像における前記サンプルの前記相対角度を決定することと、を含む、方法。
2. 前記サンプルの前記相対角度を決定することが、前記画像の前記それぞれの取得と協働して実施される、請求項１に記載の方法。
3. 前記サンプルの前記相対角度を決定することが、前記画像の前記それぞれの取得後に実施される、請求項１に記載の方法。
4. 前記サンプルの断層撮影再構成に基づいて、または前記サンプルの断層撮影再構成中に、各取得された画像における前記サンプルの絶対角度を決定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 各取得された画像における前記サンプルの前記相対角度を決定することが、前記取得時に回転可能なサンプルホルダに結合されたエンコーダを読み取ることを含み、前記回転可能なサンプルホルダが、前記サンプルを回転させる、請求項１に記載の方法。
6. 前記エンコーダの読み取り値に基づいて、各取得された画像における前記サンプルの絶対角度を決定することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 各取得された画像における前記サンプルの前記相対角度を決定することが、前記サンプルの再構成に基づいて前記相対角度を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 各取得された画像における前記サンプルの前記相対角度を決定することが、回転時間に基づいて前記相対角度を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記パルスレートが可変である、請求項１に記載の方法。
10. 前記パルスレートが、前記サンプルの１旋回につき、または複数の旋回後に変化する、請求項９に記載の方法。
11. 複数の電子ビームパルスを用いて前記サンプルを照明することが、前記サンプルの各全回転後に前記パルスレートを変化させることを含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記サンプルの各全回転後に前記パルスレートを変化させることが、前記パルスレートを増加させることを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記サンプルの各全回転後に前記パルスレートを変化させることが、前記パルスレートを減少させることを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記回転が、一定または可変の速度である、請求項１に記載の方法。
15. 装置であって、
    複数の旋回を通じてサンプルを一方向に連続的に回転させるように動作可能な回転可能なサンプルホルダであって、前記サンプルの完全な旋回のすべての角度が利用可能である、サンプルホルダと、
    パルスレートにおいて、および前記サンプルが回転している間に、複数の電子ビームパルスを用いて前記サンプルを照射するように動作可能な電子ビーム源と、
    前記複数の電子ビームパルスに対応する前記サンプルの複数の画像を取得するように動作可能な検出システムと、を備える装置。
16. 前記検出システムが、前記サンプルの前記電子ビーム照射に応答する電子パルス部分を受信するように配置された電子検出器を含み、各画像が、他の取得された画像のうちの少なくとも１つに対して異なる相対角度において前記サンプルを用いて取得される、請求項１５に記載の装置。
17. 各取得された画像における前記サンプルの前記相対角度または絶対角度を決定するように構成されたコントローラをさらに備える、請求項１６に記載の装置。
18. 画像取得時に前記回転可能なサンプルホルダに結合されたエンコーダをさらに備える、請求項１５に記載の装置。
19. 前記電子ビーム源の前記パルスレートが、ランダムな間隔、非一定の間隔、またはポアソン分布間隔を使用して可変である、請求項１５に記載の装置。
20. 前記電子ビーム源が、前記サンプルの各全回転後に変化するパルスレートにおいて電子ビームパルスを生成するように動作可能である、請求項１５に記載の装置。
21. 少なくとも１つのコンピュータ可読媒体であって、
    回転可能なサンプルホルダサンプルを複数の旋回を通じて一方向に連続的に回転させることであって、前記回転可能なサンプルホルダ上に配置されたサンプルの完全な旋回のすべての角度が利用可能である、回転させることと、
    前記サンプルが回転している間に、パルスレートにおいて複数の電子ビームパルスを有する電子ビーム源を用いて前記サンプルを照射することと、
    前記複数の電子ビームパルスの各々に対応するサンプルの複数の画像を取得することと、
    前記取得された複数の画像に基づいて、前記サンプルの再構成を生成することと、を行うように電子ビームシステムを制御するように構成されたプロセッサ実行可能命令を含む、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体。
    

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