JP2022540637A - 高フレームレートおよび高ダイナミックレンジ電子顕微鏡検査 - Google Patents

Abstract

本願は、高フレームレートおよび高ダイナミックレンジ電子顕微鏡検査を提供する。向上したフレームレートにおいて、時間的歪曲を伴わずに、ローリングシャッタ検出器上で透過型電子顕微鏡ビデオデータを入手するための方法およびシステムが、説明される。また、透過型電子顕微鏡を使用して入手される画像および回折データのダイナミックレンジを向上させる方法も説明される。開示される方法およびシステムはまた、光子検出および撮像システムにも適用可能であり得る。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その出願が参照することによって本明細書に組み込まれる、２０１９年７月１０日に出願された米国仮出願第６２／８７２，６４５号の利益を主張する。
（連邦政府によって支援された研究に関する声明）

本発明は、米国エネルギー省からの第ＩＩＡ相ＳＢＩＲ賞番号ＤＥ－ＳＣ００１３１０４の下で米国政府の支援を受けて行われた。

高フレームレートおよび／または高ダイナミックレンジにおいて透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）上でビデオデータを入手するシステムならびに方法が、説明される。他の用途における画像検出器の多くと同様に、ＴＥＭにおける最先端のビデオ検出器は、ローリングシャッタまたはグローバルシャッタタイミングモードのいずれかで起動することができる。「ローリングシャッタ」読出モードは、１００％に近いデューティサイクルおよび最大フレームレートを提供するが、しかしながら、カメラの異なる領域が異なる時間において読み出すため、時間的歪曲が、高速移動する物体のビデオを解釈することを困難にする。「グローバルシャッタ」読出は、全てのピクセルを横断して同期化され、これらの歪曲に悩まされないが、しかしながら、デューティサイクルは、ピクセルが読出の間にブロックされるため、低減され、それによって、サンプルを電子ビームに暴露させ続けながら、使用可能な信号の損失をもたらす。最大達成可能フレームレートはまた、典型的には、グローバルシャッタ読出に関して、より遅い。

出願者は、高デューティサイクル動作を可能にしながら、時間的歪曲を低減または排除する、高フレームレートおよび高ダイナミックレンジ画像データを入手するための新しい方法ならびにシステムの満たされていない必要性が存在することを認識している。向上したフレームレートにおいて、時間的歪曲を伴わずに、ローリングシャッタ検出器上でビデオデータを入手する新しい方法が、本開示に説明される。また、電子顕微鏡検査における測定のダイナミックレンジを向上させる方法も説明される。開示される方法はまた、光子検出および光学撮像システムにも適用可能であり得る。

本明細書に開示されるものは、透過型電子顕微鏡データを入手するための方法であって、ａ）サンプル面に位置付けられるサンプルによって透過または散乱される電子を偏向させるように構成される、２次元偏向器を備える、透過型電子顕微鏡を提供するステップであって、２次元偏向器は、サンプル面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、ステップと、ｂ）偏向された電子が、２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される電子のパターンに対応する、データセットを捕捉するステップと、ｃ）２つ以上の小領域のそれぞれが、一連の反復検出器アレイ読出サイクルのそれぞれ内でデータセットを捕捉するように、偏向器制御信号の変調を検出器アレイ読出信号と同期化するステップとを含む、方法である。

いくつかの実施形態では、透過型電子顕微鏡データを入手するための方法は、ａ）サンプル面に位置付けられるサンプルによって透過または散乱される電子を偏向させるように構成される、２次元偏向器を備える、透過型電子顕微鏡を提供するステップであって、２次元偏向器は、サンプル面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、ステップと、ｂ）偏向された電子が、２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される電子のパターンに対応する、データセットを捕捉するステップとを含んでもよく、２次元検出器アレイの２つ以上の小領域の感度、もしくは電子を２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間は、個別に調節される。

また、開示されるものは、画像データを入手するための方法であって、ａ）サンプル面または焦点面に位置付けられる物体によって透過、反射、もしくは散乱される光子を偏向させるように構成される、２次元偏向器を備える、光学システムを提供するステップであって、２次元偏向器は、サンプル面または焦点面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、ステップと、ｂ）偏向された光子が、２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される光子のパターンに対応する、データセットを捕捉するステップと、ｃ）２つ以上の小領域のそれぞれが、一連の反復検出器アレイ読出サイクルのそれぞれ内でデータセットを捕捉するように、偏向器制御信号の変調を検出器アレイ読出信号と同期化するステップとを含む、方法である。

いくつかの実施形態では、画像データを入手するための方法は、ａ）サンプル面または焦点面に位置付けられる物体によって透過、反射、もしくは散乱される光子を偏向させるように構成される、２次元偏向器を備える、光学システムを提供するステップであって、２次元偏向器は、サンプル面または焦点面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、ステップと、ｂ）偏向された光子が、２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される光子のパターンに対応する、データセットを捕捉するステップとを含んでもよく、２次元検出器アレイの２つ以上の小領域の感度、もしくは光子を２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間は、個別に調節される。

いくつかの実施形態では、２次元偏向器は、２次元静電偏向器である。いくつかの実施形態では、２次元偏向器は、２次元電磁偏向器である。いくつかの実施形態では、２次元偏向器は、可動ミラーまたはプリズムである。いくつかの実施形態では、２つ以上の小領域は、単一の２次元検出器の小領域を備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の小領域は、２次元検出器アレイ内の異なる検出器を備える。いくつかの実施形態では、２次元検出器アレイは、電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサ、電子直接検出（ＥＤＤ）カメラ、または飛行時間（ＴｏＦ）画像センサを備え、偏向器制御信号の変調は、偏向された電子または光子が、アクティブに読み出されていない小領域に指向されるように、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＥＤＤ、またはＴｏＦカメラのためのローリングシャッタ同期化信号と同期化される。いくつかの実施形態では、偏向器制御信号の変調は、偏向された電子または光子が、アクティブに読み出されていない小領域に指向されるように、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＥＤＤ、またはＴｏＦカメラのためのローリングシャッタ同期化信号と連続的に同期化される。いくつかの実施形態では、データ入手のためのデューティサイクルは、データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９０％である。いくつかの実施形態では、データ入手のためのデューティサイクルは、データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９５％である。いくつかの実施形態では、データ入手のためのデューティサイクルは、データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９８％である。いくつかの実施形態では、２つ以上の小領域のそれぞれによって捕捉されるデータセットは、画像または回折データのフレームを備える。いくつかの実施形態では、方法はさらに、２つ以上の小領域のための画像または回折データを処理し、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのための読出レートよりも速いフレームレートを備える、ビデオデータを生成するステップを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ビデオデータセットのフレームレートは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラの読出レートよりも少なくとも４倍速い。いくつかの実施形態では、ビデオデータセットのフレームレートは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラの読出レートよりも少なくとも８倍速い。いくつかの実施形態では、ビデオデータセットのフレームレートは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラの読出レートよりも少なくとも１６倍速い。いくつかの実施形態では、ビデオデータセットのフレームレートは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラの読出レートよりも少なくとも３２倍速い。いくつかの実施形態では、２次元偏向器のための切替時間は、１０マイクロ秒未満である。いくつかの実施形態では、２次元偏向器のための切替時間は、１マイクロ秒未満である。いくつかの実施形態では、２次元偏向器のための切替時間は、１００ナノ秒未満である。いくつかの実施形態では、２次元偏向器のための切替時間は、１０ナノ秒未満である。いくつかの実施形態では、偏向器制御信号は、電子または光子を２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間が、同一であるように、変調される。いくつかの実施形態では、偏向器制御信号は、電子または光子を２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間が、２つ以上の小領域のうちの少なくとも１つに関して異なるように、変調される。いくつかの実施形態では、電子または光子を２つ以上の小領域に偏向させるための滞留時間は、約１マイクロ秒～約１００ミリ秒に及ぶ。いくつかの実施形態では、偏向器制御信号は、電子または光子を２つ以上の小領域のうちの少なくとも１つに偏向させるための滞留時間が、ゼロであるように、変調され、少なくとも１つの小領域によって捕捉されるデータセットは、暗電流データセットを備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の２次元小領域によって捕捉される各データセットは、画像または回折データを備え、２次元検出器アレイのものよりも高いダイナミックレンジを有する、画像または回折データの単一のフレームを提供するように、さらに処理される。いくつかの実施形態では、２次元検出器アレイの２つ以上の小領域はそれぞれ、個々の検出器を備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の個々の検出器のそれぞれの感度、もしくは２つ以上の個々の検出器毎の飽和レベルは、個別に調節される。いくつかの実施形態では、２つ以上の個々の検出器の感度は、電子的に調節される。いくつかの実施形態では、２つ以上の個々の検出器の感度は、空間フィルタリングまたはマスキングによって調節される。いくつかの実施形態では、２つ以上の個々の検出器は、異なる機能性もしくは異なる性能仕様を備える、２つ以上の検出器を備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の検出器は、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、暗視野ＳＴＥＭ検出器、ファラデーカップ、クワッドフォトダイオード、環状暗視野検出器、明視野検出器、汎用検出器、またはそれらの任意の組み合わせを備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の個々の検出器のうちの少なくとも１つは、サンプル面または焦点面から異なる距離に位置付けられる。いくつかの実施形態では、２つ以上の検出器によって捕捉されるデータセットは、画像データ、電子ビーム電流データ、電子ビーム整合データ、セグメント化された暗視野データ、またはそれらの任意の組み合わせを備える、マルチモーダルデータセットを生成するようにコンパイルされる。いくつかの実施形態では、２つ以上の小領域によって捕捉されるデータセットは、偏向ステップによって導入される歪曲を補正するように処理される。

本明細書に開示されるものは、透過型電子顕微鏡検査データを入手するためのシステムであって、ａ）透過型電子顕微鏡と、ｂ）サンプルによって透過または散乱される電子を偏向させるように構成される、２次元偏向器であって、２次元偏向器は、透過型電子顕微鏡内でサンプル面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、２次元偏向器と、ｃ）偏向された電子が、２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される電子のパターンに対応する、データセットを捕捉するように構成される、偏向器制御システムとを備え、偏向器制御信号は、２つ以上の２次元小領域がそれぞれ、一連の反復検出器アレイ読出サイクルのそれぞれ内でデータセットを捕捉するように、検出器アレイ読出信号と同期化される、システムである。

いくつかの実施形態では、透過型電子顕微鏡検査データを入手するための開示されるシステムは、ａ）透過型電子顕微鏡と、ｂ）サンプルによって透過または散乱される電子を偏向させるように構成される、２次元偏向器であって、２次元偏向器は、透過型電子顕微鏡内でサンプル面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、２次元偏向器と、ｃ）偏向された電子が、２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される電子のパターンに対応する、データセットを捕捉するように構成される、偏向器制御システムとを備えてもよく、２次元検出器アレイの２つ以上の小領域の感度、もしくは電子を２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間は、個別に調節可能である。

また、本明細書に開示されるものは、画像データを入手するためのシステムであって、ａ）サンプル面または焦点面に位置付けられる物体によって透過、反射、もしくは散乱される光子を偏向させるように構成される、２次元偏向器を備える、光学システムであって、２次元偏向器は、サンプル面または焦点面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、光学システムと、ｂ）偏向された光子が、２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される光子のパターンに対応する、データセットを捕捉するように構成される、偏向器制御システムとを備え、偏向器制御信号は、２つ以上の小領域のそれぞれが、一連の反復検出器アレイ読出サイクルのそれぞれ内でデータセットを捕捉するように、検出器アレイ読出信号と同期化される、システムである。

いくつかの実施形態では、画像データを入手するための開示されるシステムは、ａ）サンプル面または焦点面に位置付けられる物体によって透過、反射、もしくは散乱される光子を偏向させるように構成される、２次元偏向器を備える、光学システムであって、２次元偏向器は、サンプル面または焦点面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、光学システムと、ｂ）偏向された光子が、２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される光子のパターンに対応する、データセットを捕捉するように構成される、偏向器制御システムとを備えてもよく、２次元検出器アレイの２つ以上の小領域の感度、もしくは光子を２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間は、個別に調節可能である。

いくつかの実施形態では、本システムはさらに、２つ以上の小領域によって捕捉されるデータセットを収集および分析するように構成される、プロセッサを備える。いくつかの実施形態では、２次元偏向器は、２次元静電偏向器である。いくつかの実施形態では、２次元偏向器は、２次元電磁偏向器である。いくつかの実施形態では、２次元偏向器は、可動ミラーまたはプリズムである。いくつかの実施形態では、２つ以上の小領域は、単一の２次元検出器の小領域を備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の小領域は、２次元検出器アレイ内の異なる検出器を備える。いくつかの実施形態では、２次元検出器アレイは、電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサ、電子直接検出（ＥＤＤ）画像センサ、または飛行時間（ＴｏＦ）画像センサを備え、偏向器制御信号の変調は、偏向された電子または光子が、アクティブに読み出されていない小領域に指向されるように、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＥＤＤ、またはＴｏＦカメラのためのローリングシャッタ同期化信号と同期化される。いくつかの実施形態では、偏向器制御信号の変調は、偏向された電子または光子が、アクティブに読み出されていない小領域に指向されるように、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＥＤＤ、またはＴｏＦカメラのためのローリングシャッタ同期化信号と連続的に同期化される。いくつかの実施形態では、データ入手のためのデューティサイクルは、データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９０％である。いくつかの実施形態では、データ入手のためのデューティサイクルは、データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９５％である。いくつかの実施形態では、データ入手のためのデューティサイクルは、データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９８％である。いくつかの実施形態では、２つ以上の小領域によって捕捉される各データセットは、画像または回折データの単一のフレームを備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の小領域のための画像または回折データは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのための読出レートよりも速いフレームレートを備える、ビデオデータセットを生成するように処理される。いくつかの実施形態では、ビデオデータセットのフレームレートは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのフレームレートよりも少なくとも４倍速い。いくつかの実施形態では、ビデオデータセットのフレームレートは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのフレームレートよりも少なくとも８倍速い。いくつかの実施形態では、ビデオデータセットのフレームレートは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのフレームレートよりも少なくとも１６倍速い。いくつかの実施形態では、ビデオデータセットのフレームレートは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのフレームレートよりも少なくとも３２倍速い。いくつかの実施形態では、２次元偏向器のための切替時間は、１０マイクロ秒未満である。いくつかの実施形態では、２次元偏向器のための切替時間は、１マイクロ秒未満である。いくつかの実施形態では、２次元偏向器のための切替時間は、１００ナノ秒未満である。いくつかの実施形態では、２次元偏向器のための切替時間は、１０ナノ秒未満である。いくつかの実施形態では、偏向器制御信号は、２つ以上の小領域のそれぞれにおける偏向された電子または光子のための滞留時間が、同一であるように、変調される。いくつかの実施形態では、偏向器制御信号は、２つ以上の小領域のそれぞれにおける偏向された電子または光子のための滞留時間が、２つ以上の小領域のうちの少なくとも１つに関して異なるように、変調される。いくつかの実施形態では、電子または光子を２つ以上の小領域に偏向させるための滞留時間は、約１マイクロ秒～約１００ミリ秒に及ぶ。いくつかの実施形態では、偏向器制御信号は、電子または光子を２つ以上の小領域のうちの少なくとも１つに偏向させるための滞留時間が、ゼロであるように、変調され、少なくとも１つの小領域によって捕捉されるデータセットは、暗電流データセットを備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の小領域によって捕捉される各データセットは、画像または回折データを備え、２次元検出器アレイのものよりも高いダイナミックレンジを有する、画像または回折データの単一のフレームを提供するように、さらに処理される。いくつかの実施形態では、２次元検出器アレイの２つ以上の小領域はそれぞれ、個々の検出器を備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の個々の検出器のそれぞれの感度、もしくは２つ以上の個々の検出器毎の飽和レベルは、個別に調節可能である。いくつかの実施形態では、２つ以上の個々の検出器の感度は、電子的に調節される。いくつかの実施形態では、２つ以上の個々の検出器の感度は、空間フィルタリングまたはマスキングによって調節される。いくつかの実施形態では、２つ以上の個々の検出器は、異なる機能性もしくは異なる性能仕様を備える、２つ以上の検出器を備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の異なる検出器は、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、暗視野ＳＴＥＭ検出器、ファラデーカップ、クワッドフォトダイオード、環状暗視野検出器、明視野検出器、汎用検出器、またはそれらの任意の組み合わせを備える。いくつかの実施形態では、２つ以上の個々の検出器のうちの少なくとも１つは、サンプル面または焦点面から異なる距離に位置付けられる。いくつかの実施形態では、２つ以上の検出器によって捕捉されるデータセットは、画像データ、電子ビーム電流データ、電子ビーム整合データ、セグメント化された暗視野データ、またはそれらの任意の組み合わせを備える、マルチモーダルデータセットを生成するようにコンパイルされる。いくつかの実施形態では、２つ以上の小領域によって捕捉されるデータセットは、偏向ステップによって導入される歪曲を補正するように処理される。
（参照による組み込み）

本明細書に述べられる全ての出版物、特許、および特許出願は、各個々の出版物、特許、または特許出願が、参照することによってその全体として組み込まれるように具体的かつ個別に示された場合と同一の程度に、参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる。本明細書の用語と組み込まれた参考文献内の用語の間の矛盾の場合、本明細書の用語が優先される。

本発明の新規の特徴は、添付の請求項に詳細に記載される。本発明の特徴および利点のさらなる理解は、本発明の原理が利用される、例証的実施形態を記載する以下の詳細な説明、ならびに付随する図面を参照することによって、得られるであろう。

図１は、本開示の一側面による、高フレームレートビデオデータを入手するために構成される透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の非限定的実施例を提供する。

図２は、電子（またはいくつかの事例では、光子）を２次元検出器の異なる小領域に偏向させるための露出シーケンスの１つの非限定的実施例の説明図を提供する。

図３は、２次元静電偏向器の概略図を提供する。

図４Ａ－Ｅは、ＣＭＯＳカメラ等の２次元検出器の異なる小領域を露出するためのＴＥＭにおける電子の静電偏向を２次元検出器のためのローリングシャッタ読出信号と同期化するためのタイミング図の非限定的実施例を提供する。図４Ａは、ＣＭＯＳ画像センサのための読出領域の概略図である。図４Ｂは、画像センサからの行毎の読出のタイミング図である。図４Ｃは、２次元偏向器によって画定されるような画像センサの小領域である。図４Ｄは、図４Ｃに図示される露出のシーケンスのタイミング図である。図４Ｅは、図４Ｃおよび４Ｄに描写される偏向パターンならびにタイミングを実装するように２次元静電偏向器内の電極対の間に印加される電圧のタイミング図である。

図５は、中心スポットにおける飽和効果を示す、典型的選択面積電子回折（ＳＡＥＤ）電子回折パターンの実施例を提供する。

図６は、高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ）透過型電子顕微鏡の概略図を提供する。

図７は、ＨＤＲデータ入手のためのフローチャートの非限定的実施例を提供する。

図８は、マルチ検出器データセットを処理するために使用されるデータ分析方法のためのフローチャートの非限定的実施例を提供する。

図９は、サンプルによって透過または散乱される電子を異なる検出器または検出器の小領域に偏向させるように２次元静電偏向器と組み合わせられる、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）走査コントローラの概略図を提供する。

図１０Ａ－Ｅは、ＴＥＭにおける電子の静電偏向を制御し、２次元検出器の異なる小領域または検出器の２次元アレイ内の異なる検出器を露出するためのタイミング図の非限定的実施例を提供する。図１０Ａは、サンプル上のプローブビーム場所の概略図である。図１０Ｂは、サンプルを横断したプローブビームの走査のタイミング図である。図１０Ｃは、１０個の個々の検出器のアレイの概略図である。いくつかの事例では、検出領域１－９は、単一の検出器、例えば、ＣＭＯＳカメラの小領域であってもよい。図１０Ｄは、異なる検出器／検出器領域のための露出時間（滞留時間）が異なる、図１０Ｃに図示される露出のシーケンスのタイミング図である。図１０Ｅは、図１０Ｃおよび１０Ｄに描写される偏向パターンおよびタイミングを実装するように２次元静電偏向器内の電極対の間に印加される電圧のタイミング図である。

図１１は、本明細書に提供される方法およびシステムを実装するようにプログラムまたは別様に構成される、コンピュータシステムの概略図を提供する。

詳細な説明
透過型電子顕微鏡検査における高フレームレート（ＨＦＲ）ビデオデータおよび／または高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ）画像もしくは回折データの入手のための方法ならびにシステムが、説明される。いくつかの事例では、開示される方法およびシステムは、他の画像データ入手モード、例えば、光学顕微鏡検査または光学撮像に適用されてもよい。開示される方法およびシステムは、各場合において、高速２次元偏向器が、サンプル（または物体）によって透過または散乱される電子もしくは光子を、タイミングおよび空間位置付けの精密な制御を伴って２次元検出器の一連の小領域のそれぞれに順次偏向させるために使用されるという点で、共通特徴を共有する。いくつかの事例では、小領域は、単一の２次元検出器の細分、例えば、単一のＣＣＤまたはＣＭＯＳ画像センサの四分円を備えてもよい。いくつかの事例では、小領域は、個々の検出器、例えば、検出器の２次元アレイ内の個々のＣＣＤまたはＣＭＯＳ画像センサを備えてもよい。

高フレームレートビデオデータ入手の場合、検出器、例えば、ＣＭＯＳカメラセンサの異なる小領域の間の２次元偏向器の高速切替、およびＣＭＯＳカメラのローリングシャッタ読出との２次元偏向器の精密なタイミングならびに連続同期化が、ＣＭＯＳカメラのための読出レートよりも高いフレームレートにおいてビデオデータの継続入手を提供する。開示される方法およびシステムは、カメラの画像センサが、異なる時点において画像または回折パターンを入手する複数のサブフレームに分割されるように、電子をアクティブに読み出されてないカメラの小領域に指向するための、例えば、高速２次元静電または電磁偏向器の使用を含んでもよい。これらのサブフレームは、各小領域が、カメラの画像センサ読出の合間に露出されるように、カメラのローリングシャッタに連続的に同期化され、続いて、カメラ画像センサ読出レートよりも高いフレームレートにおいて連続ビデオデータを提供するように組み立てられてもよい。コンパイルされたビデオデータの結果として生じたフレームレートおよび時間分解能は、完全フレーム画像内に収集されるサブフレームの数によって乗算されるカメラ読出レートと等しい。例えば、高速２次元偏向器を用いてサブフレームの８×８アレイに細分される、画像センサまたは検出器は、フレームレートおよび時間分解能の６４倍改良を備える、ビデオデータを生じさせる。

高ダイナミックレンジデータ入手の場合、電子または光子を、例えば、ＣＭＯＳカメラ内の検出器小領域のそれぞれに偏向させるための高速切替および調節可能な滞留時間は、単一の完全フレームデータ捕捉で可能性として考えられる、はるかに高いダイナミックレンジを有する、１つ以上の画像フレームを生成するように、続いて処理され得る、ＣＭＯＳ画像センサ読出の各サイクル内の一連の画像データセットの入手を提供する。いくつかの事例では、例えば、１６個の露出領域に分割される単一の検出器が、検出器読出が単一のＨＤＲ画像を生じさせるために処理されるように、１６個の異なる露出条件下で画像を入手するために使用され得る。いくつかの事例では、１６個の露出領域に分割される単一の検出器が、検出器読出が４つのＨＤＲ画像を生じさせるために処理されるように、４つの異なる露出条件のそれぞれの下で４つの画像を入手するために使用され得る。いくつかの事例では、各検出器アレイ読出サイクルの間に入手されるデータは、１、２、４、８、１６、３２、６４、１２８個、以上のＨＤＲ画像を生じさせるように処理されてもよい。

いくつかの事例では、高ダイナミックレンジデータ入手は、個々の検出器のための感度および／または飽和レベルが、各個々の検出器への電子もしくは光子の偏向のための滞留時間を調節する代わりに、またはそれに加えて、検出器毎に調節され得る、個々の検出器のアレイ、例えば、ＣＭＯＳ画像センサのアレイを使用することによって提供されてもよい。いくつかの事例では、開示される方法およびシステムは、散乱および透過された電子を、検出器の異なる小領域に、または一連の検出器のそれぞれに順次指向し得る、高速静電偏向器の使用を含んでもよい。ある事例では、偏向器制御システムが、各検出器を異なる時間の長さにわたって露出させ、プロセッサまたはコンピュータが、小領域または一連の検出器からデータを収集および分析する。いくつかの事例では、偏向器制御システムは、検出器を読み出す、および／またはサンプル上のプローブビームの場所もしくは角度等の電子顕微鏡の動作パラメータを変調させるためのタイミングと統合される。プロセッサまたはコンピュータによって実施される分析方法は、異なる露出時間および／または感度レベルを表す、異なる小領域もしくは検出器読出の間に入手されるデータから複合画像を形成する。結果として生じる複合画像は、したがって、個々の小領域または検出器からの個々の画像読出よりも実質的に広いダイナミックレンジを有してもよい。

いくつかの事例では、開示されるシステムは、画像データまたは回折データを備える、高フレームレートおよび高ダイナミックレンジビデオデータの同時入手のために構成されてもよい。主に電子顕微鏡検査との関連で議論されるが、開示される方法およびシステムはまた、光子のための好適な高速２次元偏向器、例えば、回転ミラーまたはプリズムが、電子を偏向させるために使用される２次元偏向器に代用される場合、光学撮像に適用されてもよい。本明細書に説明される開示される方法およびシステムの種々の側面が、下記に記載される特定の電子または光子顕微鏡検査用途のうちのいずれかに、もしくは他のタイプの画像、回折パターン、またはスペクトルデータ入手用途のために、適用されてもよい。開示される方法およびシステムの異なる側面が、個別に、集合的に、または相互と組み合わせて理解され得ることを理解されたい。

定義：別様に定義されない限り、本明細書で使用される技術用語の全ては、本開示が属する分野内の当業者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有する。

本明細書および添付の請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別様に決定付けない限り、複数の参照を含む。本明細書の「または」の任意の言及は、別様に記述されない限り、「および／または」を包含することを意図している。

本明細書で使用されるように、用語「約」の数は、その数±その数の１０％を指す。範囲との関連で使用されるときの用語「約」は、その最低値のマイナス１０％およびその最大値のプラス１０％のその範囲を指す。

本明細書で使用されるように、用語「２次元検出器アレイ」は、いくつかの事例では、単一の検出器、例えば、個々のピクセルまたはピクセル群の２次元アレイを備える、ＣＣＤもしくはＣＭＯＳ画像センサを指し得る、またはいくつかの事例では、個々の検出器の２次元アレイ、例えば、ＣＣＤもしくはＣＭＯＳ画像センサの２次元アレイを指し得る。いくつかの事例では、２次元検出器アレイは、下記にさらに詳細に議論されるであろうように、ＣＭＯＳ画像センサ、ＣＣＤ画像センサ、暗視野ＳＴＥＭ検出器、ファラデーカップセンサ、または他のタイプの検出器の組み合わせを含む、個々の検出器の２次元アレイを備えてもよい。

本明細書で使用されるように、用語「ビデオ」は、いくつかの事例では、時間の関数として編成される画像または回折パターンデータを指し得る。いくつかの事例では、用語「ビデオ」は、異なる測定動作パラメータ、例えば、電子プローブビーム位置の関数として、または高次元データ構造上にデータをマッピングするための測定動作パラメータの多次元ベクトルの関数として編成される、画像もしくは回折データを指し得る。これらの事例のうちのいずれかでは、データは、「高フレームレートデータ」と称され得る。

本明細書で使用されるように、語句「連続同期化」は、２つのプロセスのためのタイミング正確度が、下記により詳細に議論されるであろうように、定義された性能仕様（例えば、２つのプロセスの同期化が、５０ミリ秒以内まで正確である、またはより良好である）を満たすように、長期的な時間周期（例えば、最大８時間以上のデータ入手周期）にわたる２つのプロセスの精密な同期化（例えば、ＣＭＯＳカメラからのローリングシャッタ読出を伴う２次元偏向器の偏向）を指す。

高フレームレート電子顕微鏡検査：透過型電子顕微鏡検査（ＴＥＭ）では、高速ビデオが、生物学的サンプルおよびナノスケール材料の動態を特性評価するためのますます重要なツールである。サンプル傾転またはプローブビーム位置等の実験パラメータの変調に同期化されたとき、高速ビデオは、科学および工業用途で有用である大量の多次元データセットの高スループット入手を可能にする。

ＴＥＭ撮像プロセスで使用される電子は、測定されているサンプルを容易に損傷し得る。理想的な検出プロセスは、画像捕捉のために１００％デューティサイクルを利用し、サンプルの不必要な、または測定されない露出を回避するであろう。これは、電子が読出サイクルの全てまたは一部の間にサンプルに衝突し続け、検出されるのではなく破棄されるため、グローバルシャッタ動作を望ましくないものにする。ローリングシャッタモードでアクティブに読み出されているカメラの領域から離れるように、かつ露出のために利用可能であるそれらの領域に向かって、サンプルによって透過または散乱された電子（例えば、画像もしくは回折データを備える、透過または散乱された電子のパターン）を指向することによって、本明細書に開示される方法およびシステムは、サンプルに衝突する全ての電子が測定に寄与する機会を有することを確実にすることによって、電子を無駄にすることを回避する。

測定中のサンプルを損傷することに加えて、ＴＥＭにおける電子ビームは、従来の画像検出器を容易に損傷し得る。したがって、ＴＥＭで使用される画像検出器は、耐放射線強化を施され、または特に電子ビームとの併用のために設計され、耐久性、空間分解能、ダイナミックレンジ、および速度における有意なトレードオフにつながるはずである。上記に留意されるように、高フレームレートＴＥＭビデオデータを捕捉する改良された方法の必要性が存在する。本明細書に開示される方法およびシステムは、現在市場に出ている殆どのＴＥＭ画像センサ、ならびに現在開発中の検出器の性能を向上させるために使用されることができる。

ビデオフレームあたり削減された数のピクセルが、向上したフレームレートと引き換えにした許容トレードオフである、ＴＥＭ撮像におけるいくつかの用途が存在する。現在市場に出ている殆どのＴＥＭ画像センサは、縮小した視野を読み出す、またはより速い速度と引き換えに空間分解能の損失をもたらす、ピクセルをともにビン化する能力を提供する。開示される方法およびシステムは、ユーザが、より広範囲のパラメータにわたって類似トレードオフを成し、実質的により高いフレームレートを獲得するために、さらなる融通性を提供する。

光子および電子光学系の両方における従来技術の開示は、画像のバーストまたはストリーク画像を記録する目的のために、２次元静電偏向器を利用し、画像センサを細分してきた。例えば、米国特許第３，８８７，８４１号および第４，５６５，９２３号（ＣＣＤフレーミングカメラ技法を説明する）、ならびに米国特許第９，４５１，１７７Ｂ２号（光が、一連の蛍光体ブロックに偏向され、画像フレームのシーケンスの捕捉のために光に戻るように変換される、電子に変換される、高速カメラを説明する）を参照されたい。電子光学系の場合、２次元静電偏向器が、米国特許第９，１６５，７４３Ｂ２号に説明されるように、単一のカメラ読出内のストロボで照明された画像の複数のサブフレームを捕捉するために使用されてきた。我々の知る限り、これらの参考文献のうちのいずれも、本開示される方法の主要な利点である、恣意的な長さの連続高フレームレートビデオデータ入手を達成するためのローリングシャッタビデオ画像センサとの高速２次元静電または電磁偏向器の連続同期化を説明していない。

電子顕微鏡において分光測定を実施するための若干関連する技法が、国際公開第ＷＯ２０１９／０２８１２９Ａ１号に説明される。本公開では、電子画像を捕捉するように設計されるＣＭＯＳセンサが、電子エネルギー損失スペクトル（ＥＥＬＳ）を記録するために使用される。スペクトルが、長く細い縞でカメラ上に投影される。１次元静電偏向器が、アクティブに読み出されている画像センサのいずれの面積も露出することを回避するように、時間の関数として、カメラを横断してスペクトル露出縞をスクロールする。これは、より高いスループットにおけるＥＥＬＳスペクトルデータ入手を可能にすることを意図している。国際公開第ＷＯ２０１９／０２８１２９Ａ１号参考文献に説明される方法は、少なくとも３つの方法で本明細書に開示されるものと明確に異なる。すなわち、（ｉ）本明細書に開示される方法が、実空間画像および回折データのための高フレームレートにおけるビデオデータの向上した入手を可能にする一方、国際公開第ＷＯ２０１９／０２８１２９Ａ１号の方法は、ＥＥＬＳスペクトルに適用され、（ｉｉ）本明細書に開示される方法が、２次元偏向器を使用し、２次元センサ上にグリッド様パターンでビデオフレームを配列する一方、国際公開第ＷＯ２０１９／０２８１２９Ａ１号の方法は、１次元でスペクトル露出ストライプを偏移させるのみであり、（ｉｉｉ）本明細書に開示される方法は、「センサ」のより広義の定義に適用される。国際公開第ＷＯ２０１９／０２８１２９Ａ１号に開示される方法が、ＣＭＯＳ電子画像検出器の使用を規定する一方、本明細書に開示される方法は、透過または散乱された電子のパターンを単一の画像検出器の異なる領域に、もしくは異なる検出器のアレイ内の要素の間に偏向させることに適用され得、例えば、下記により詳細に議論されるであろうような高ダイナミックレンジデータ入手の場合、異なる検出器は、異なる感度レベルまたは検出能力を有してもよい。

上記に留意されるように、開示される方法およびシステムは、読出の間に信号の損失が存在しないように、異なる検出器または単一の検出器の異なる小領域の露出を連続的に順序付けることによって、電子顕微鏡における（もしくは下記により詳細に議論されるであろうような光学システムにおける）ビデオフレームレートデータ入手を向上させる。これは、切替時間が、検出器の各小領域を露出し、図１に図示されるように、サンプルによって透過または散乱される電子のパターン（例えば、画像データもしくは回折データ）を検出器の異なる小領域に指向するために使用される滞留時間よりもはるかに速い、高速２次元偏向器、例えば、２Ｄ静電偏向器または２Ｄ電磁偏向器を使用して遂行される。図１は、器具の上部に位置付けられる電子銃または他の源から生じる電子ビームが、サンプルを通して下向きに伝搬する、ＴＥＭの非限定的実施例を示す。電子光学系（図示せず）が、サンプルによって透過または散乱されるビームを、器具の底部に位置付けられる検出器上に結像する。サンプルと（標準ＴＥＭで構成されるような）検出器との間には、電場を印加し、透過または散乱された電子（例えば、画像もしくは回折パターン）を検出器のプログラムされた小領域に偏移または偏向させる、２Ｄ偏向器デバイスがある。電子ハードウェアおよび自動化ソフトウェアが、小領域露出のプログラムされたシーケンスを制御し、（例えば、偏向器制御信号を変調させることによって）偏向シーケンスとカメラの読出レートとの間の精密な連続同期化を維持するために使用される。図１は、「ＳＴＥＭ走査制御」および「検出器同期化」モジュールの両方を「サブフレームシーケンス制御」モジュールに直接接続されるものとして描写するが、これらのタイミングシステムの相互接続は、他の実装では異なるように構成されてもよい。「検出器同期化」モジュールは、例えば、「ＳＴＥＭ走査制御」モジュールに直接接続され得る。図１に描写される実施例では、カメラは、１６個の露出サブフレームに細分される。検出器が、単一の標準ＴＥＭカメラである場合、フレームレートの１６倍の向上を伴う連続ビデオが、達成される。

図２は、検出器を９つの明確に異なる小領域に分割する、露出シーケンスの非限定的実施例を提供する。正方形の輪郭は、所与の時点における全検出器面積を表す。鎖線は、同一の時点に読み出されているピクセルを表す。ローリングシャッタ読出モードでは、読出線は、カメラを横断して連続的に移動し、最終線が読み出された後に最初の線に即時に戻る。小さい黒色の正方形は、同一の時点における露出領域を示す。偏向器およびカメラのタイミングは、露出領域が、読出領域と決して一致しないように、慎重に同期化される。

図３は、開示される方法およびシステムを実装する際に使用され得る、２対の電極（Ｘ電極およびＹ電極）を備える、２次元静電偏向器の概略図を提供する。図４Ａ－Ｅは、ＣＭＯＳカメラ等の２次元検出器の異なる小領域を露出するためのＴＥＭにおける電子の静電偏向を２次元検出器のためのローリングシャッタ読出信号と同期化するためのタイミング図の非限定的実施例を提供する。本説明図では、ＣＭＯＳカメラセンサの読出は、右上のタイミング図（図４Ｂ）内の３つの領域Ａ、Ｂ、およびＣ（図４Ａ）内のピクセルの行に関して描写される。画像センサの読出は、１次元で検出器を横断して行毎に進み、次いで、第１の行に戻る。本実施例では、２次元偏向器は、図４Ｄのタイミング図に描写される露出のシーケンスに従って、電子を３×３＝９サブフレームまたは露出領域のグリッド（図４Ｃ）の中に偏向させ、それによって、ビデオフレームレートの９倍の向上をもたらす。図４Ｃおよび４Ｄに示される偏向パターンならびにタイミングを実装するために使用される、２対の電極（すなわち、図３に図示される２次元静電偏向器内のＸおよびＹ電極）の間に印加される電圧のシーケンスが、図４Ｅに描写される。上記に留意されるように、フレームレートの向上は、検出器（または２次元検出器アレイ）のための露出シーケンスに含まれる小領域（または個々の検出器）の総数によって判定される。例えば、小領域または個々の検出器の２×２アレイに対応する、例えば、４回の露出のシーケンスが使用される事例において、結果として生じるデータ入手フレームレートは、個々の検出器（または検出器の２次元アレイ）のための読出レートのものの４倍であり得る。いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用して達成されるビデオデータフレームレートは、少なくとも４倍、少なくとも８倍、少なくとも１２倍、少なくとも１６倍、少なくとも２０倍、少なくとも２４倍、少なくとも２８倍、少なくとも３２倍、少なくとも６４倍、少なくとも１２８倍、少なくとも２５６倍、少なくとも５１２倍、またはより高くあり得る。いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用して達成されるデータ入手フレームレートは、本範囲内の任意の値、例えば、少なくとも１４４倍であり得る。

図４Ｃは、電子を３×３＝９サブフレームまたは露出領域のグリッドの中に偏向させるための２次元偏向器の使用を図示するが、いくつかの事例では、露出の他のパターンも、使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、電子を、例えば、２×２、３×３、４×４、５×５、６×６、７×７、８×８、９×９、１０×１０、１１×１１、１２×１２、１３×１３、１４×１４、１５×１５、１６×１６、１７×１７、１８×１８、１９×１９、２０×２０個の小領域、以上のもののパターンに偏向させるために使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、電子を、３×４、６×９、９×１２、１２×１５個等の小領域の非正方形アレイに偏向させるために使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、電子を、例えば、２次元検出器アレイ内の２×２、３×３、４×４、５×５、６×６、７×７、８×８、９×９、１０×１０、１１×１１、１２×１２、１３×１３、１４×１４、１５×１５、１６×１６、１７×１７、１８×１８、１９×１９、２０×２０個、以上の異なる検出器のパターンに偏向させるために使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、電子を、３×４、６×９、９×１２、１２×１５個の検出器等の個々の検出器の非正方形アレイに偏向させるために使用されてもよい。

図４Ｃでは、サブフレームまたは小領域（すなわち、露出領域）は、隣接する長方形領域として示される。いくつかの事例では、それらは、非長方形および／または非隣接であり得る。いくつかの事例では、偏向されたビームは、円形開口を通して投影され、それによって、カメラ上に円形画像のアレイを投影することをもたらし得る（例えば、図１参照）。いくつかの事例では、シーケンスの間に決して露出されないピクセルから成る、露出領域の間の間隙が存在し得る。いくつかの事例では、あるピクセルが、読み出される前に複数回露出されるように、露出領域の間に重複が存在し得る。

図４Ｃおよび４Ｄでは、カメラの異なるサブフレーム／小領域を露出する順序（図４Ｃ（空間マップ）および図４Ｄ（露出タイミング図））が、読取順に示される（図４Ａ（空間マップ）および図４Ｂ（読出タイミング図）参照）が、しかしながら、実際の順序は、アクティブに読み出されているカメラの具体的領域を露出することを回避する、任意のパターンであってもよい。例えば、いくつかの事例では、正弦パターンが、最小切替時間を達成するために使用されてもよい。いくつかの事例では、小領域の各行内の露出の順序は、シャッフルされ得る。いくつかの事例では、サブフレーム露出シーケンスは、カメラ読出サイクル毎に同一である場合とそうではない場合がある。いくつかの事例では、各サブフレームは、所与のカメラ読出サイクルに関して正確に１回露出されてもよい。他の事例において、あるサブフレームが、複数回露出されてもよい。そのような露出シーケンスは、圧縮感知データ入手モードを実装する際に使用される場合とそうではない場合がある。いくつかの事例では、あるサブフレームが、時間に基準マークを生成し、データの解釈を促進するように、スキップされてもよい。

各対の偏向器電極（ＸおよびＹ対）に印加される電圧波形は、等しい大きさの段階的変化を備えるものとして図４Ｅに示される。いくつかの事例では、各対の１つのプレートが、固定電圧で保持されてもよい、または各対に印加される電圧は、大きさが異なる、もしくは同一または反対の符号を有してもよい。いくつかの事例では、電圧波形の大きさは、約０ボルト～約１０ｋＶに及んでもよい。いくつかの事例では、電圧波形の大きさは、少なくとも０ボルト、少なくとも１０ボルト、少なくとも１００ボルト、少なくとも５００ボルト、少なくとも１，０００ボルト、少なくとも５ｋＶ、または少なくとも１０ｋＶであってもよい。いくつかの事例では、電圧波形の大きさは、最大で１０ｋＶ、最大で５ｋＶ、最大で１，０００ボルト、最大で５００ボルト、最大で１００ボルト、最大で１０ボルト、または約０ボルトであってもよい。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、電圧波形の大きさは、約１００ボルト～約１，０００ボルトに及んでもよい。いくつかの事例では、電圧波形の大きさは、本範囲内の任意の値、例えば、約６６５ボルトを有してもよい。電圧波形のための大きさおよびタイミングシーケンスは、プログラム可能であり、露出領域の数、小領域が露出される順序、および各小領域における露出の持続時間（すなわち、小領域毎の滞留時間）を判定する、４つの電極電圧のシーケンスを備える。

サブフレーム／露出領域の間の透過または散乱された電子の偏向は、電場を電子のビームに印加する電極対上の電圧のシーケンスを使用して、図３および図４Ａ－４Ｅに図示されるシステムにおいて遂行されてもよい。他の実装では、電子は、例えば、磁気コイルを通して駆動される電流のシーケンスによって発生される磁場を使用することによって、偏向されてもよい。さらに他の実装では、偏向プロセスによって導入される画像または回折データ歪曲が、低減されるように、電圧または電流が印加される、付加的電極もしくは電磁石が存在し得る。

ある事例では、各小領域または２次元検出器アレイ内の個々の検出器における露出の持続時間（すなわち、小領域または個々の検出器毎の滞留時間）は、約１マイクロ秒～約１００ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、少なくとも１マイクロ秒、少なくとも１０マイクロ秒、少なくとも１００マイクロ秒、少なくとも１ミリ秒、少なくとも１０ミリ秒、または少なくとも１００ミリ秒であってもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、最大で１００ミリ秒、最大で１０ミリ秒、最大で１ミリ秒、最大で１００マイクロ秒、最大で１０マイクロ秒、または最大で１マイクロ秒であってもよい。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、滞留時間は、約１０マイクロ秒～約１０ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、本範囲内の任意の値、例えば、約１．３ミリ秒を有してもよい。いくつかの事例では、図４Ｄのタイミング図に図示されるように、サブフレーム／露出領域／個々の検出器毎の滞留時間は、相互と等しくあり得る。いくつかの事例では、サブフレーム／露出領域／個々の検出器毎の滞留時間は、相互と異なり得、個別に調節可能であり得る。

いくつかの事例では、本明細書に説明される方法およびシステムは、データの時間的歪曲を負うことなく、高デューティサイクル動作を提供するように構成される。いくつかの事例では、デューティサイクルは、データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％であってもよい。

一般に、２次元偏向器の切替速度は、時間的歪曲を最小限にするために、すなわち、フレームの間にぼやけが存在しないように、小領域または個々の検出器の露出のために使用される滞留時間と比較して、速くあるべきである。いくつかの事例では、２次元偏向器の切替時間は、約１ナノ秒～約１ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、切替時間は、少なくとも１ナノ秒、少なくとも１０ナノ秒、少なくとも１００ナノ秒、少なくとも１マイクロ秒、少なくとも１０マイクロ秒、少なくとも１００マイクロ秒、または少なくとも１ミリ秒である。いくつかの事例では、切替時間は、最大で１ミリ秒、最大で１００マイクロ秒、最大で１０マイクロ秒、最大で１マイクロ秒、最大で１００ナノ秒、最大で１０ナノ秒、または最大で１ナノ秒である。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、切替時間は、約１０ナノ秒～約１０マイクロ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、切替時間は、本範囲内の任意の値、例えば、約１．３ミリ秒を有してもよい。いくつかの事例では、サブフレーム／露出領域／個々の検出器の間で切り替えるための切替時間は、相互と等しくあり得る。いくつかの事例では、切替時間は、異なり得、個別に調節可能であり得る。

一般に、２次元偏向器によって達成される空間的位置付けは、偏向された画像または回折パターンを再配置する際のジッタが単一の画像センサピクセルのほぼ寸法未満であるために、十分に正確であるはずである。いくつかの事例では、２次元偏向器によって達成される空間的位置付けは、約５００μｍよりも良好に、約４５０μｍよりも良好に、約４００μｍよりも良好に、約３５０μｍよりも良好に、約３００μｍよりも良好に、約２５０μｍよりも良好に、約２００μｍよりも良好に、約１５０μｍよりも良好に、約１００μｍよりも良好に、約９０μｍよりも良好に、約８０μｍよりも良好に、約７０μｍよりも良好に、約６０μｍよりも良好に、約５０μｍよりも良好に、約４０μｍよりも良好に、約３０μｍよりも良好に、約２０μｍよりも良好に、約１０μｍよりも良好に、約９μｍよりも良好に、約８μｍよりも良好に、約７μｍよりも良好に、約６μｍよりも良好に、約５μｍよりも良好に、約４μｍよりも良好に、約３μｍよりも良好に、約２μｍよりも良好に、または約１μｍよりも良好に正確である。

いくつかの事例では、検出器の読出サイクル（例えば、ＣＭＯＳカメラのためのローリングシャッタ読出サイクル）との２次元偏向器の同期化は、５０ミリ秒よりも良好に、４０ミリ秒よりも良好に、３０ミリ秒よりも良好に、２０ミリ秒よりも良好に、１０ミリ秒よりも良好に、９ミリ秒よりも良好に、８ミリ秒よりも良好に、７ミリ秒よりも良好に、６ミリ秒よりも良好に、５ミリ秒よりも良好に、４ミリ秒よりも良好に、３ミリ秒よりも良好に、２ミリ秒よりも良好に、１ミリ秒よりも良好に、９００マイクロ秒よりも良好に、８００マイクロ秒よりも良好に、７００マイクロ秒よりも良好に、６００マイクロ秒よりも良好に、５００マイクロ秒よりも良好に、４００マイクロ秒よりも良好に、３００マイクロ秒よりも良好に、２００マイクロ秒よりも良好に、１００マイクロ秒よりも良好に、９０マイクロ秒よりも良好に、８０マイクロ秒よりも良好に、７０マイクロ秒よりも良好に、６０マイクロ秒よりも良好に、５０マイクロ秒よりも良好に、４０マイクロ秒よりも良好に、３０マイクロ秒よりも良好に、２０マイクロ秒よりも良好に、１０マイクロ秒よりも良好に、９マイクロ秒よりも良好に、８マイクロ秒よりも良好に、７マイクロ秒よりも良好に、６マイクロ秒よりも良好に、５マイクロ秒よりも良好に、４マイクロ秒よりも良好に、３マイクロ秒よりも良好に、２マイクロ秒よりも良好に、１マイクロ秒よりも良好に、９００ナノ秒よりも良好に、８００ナノ秒よりも良好に、７００ナノ秒よりも良好に、６００ナノ秒よりも良好に、５００ナノ秒よりも良好に、４００ナノ秒よりも良好に、３００ナノ秒よりも良好に、２００ナノ秒よりも良好に、または１００ナノ秒よりも良好に正確であり得る。

図４Ａおよび４Ｂは、ピクセルの一番上の行が読み出され、次いで、第２の行、次いで、第３の行等が、一番下の行まで読み出される、典型的ローリングシャッタ読出パターンを図示する。しかしながら、開示される方法は、異なる時間においてカメラの異なる領域（または検出器のアレイ内の異なる検出器）に実施される、任意の連続ビデオ読出に適用される。例えば、読出は、ピクセルの左列から開始し、ピクセルの右列までカメラを横断して掃引し得る。読出は、ピクセルの複数の同時行または列を包含し得る。読出は、カメラの画像センサのブロック領域のシーケンスに適用され得る。重要点は、連続読出速度が、読出の間に領域を露出することと関連付けられる歪曲を伴わずに達成されるように、カメラ／検出器の異なる領域が読み出されていない間に、露出がそれらに同期化様式で指向されることである。

いくつかの事例では、開示される方法（およびそれらを実装するように構成されるシステム）は、入手されたデータを処理し、高フレームレートビデオデータ、ハイパースペクトル画像データ、画像の２次元もしくはＮ次元アレイ、および／または回折パターンデータ等を発生させるためのプロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法を含んでもよい。例えば、いくつかの事例では、プロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法は、（ｉ）未加工カメラ読出データを、個々の回折パターンまたは画像を含有するサブフレームにセグメント化し、（ｉｉ）偏向プロセスによって導入される歪曲を補正し、（ｉｉｉ）次いで、標準動作モードで同一の検出器からのより遅いデータに使用されたであろう、同一の方法に従って直接視認される、または定量的に分析され得る、画像スタック、回折パターンのアレイ、もしくはビデオデータを組み立てるために、サブフレームを整合させてもよい。いくつかの事例では、これらの処理ステップは、画像データまたは回折データが入手されたものと同一のサンプルからの前処理された較正データを利用してもよい。いくつかの事例では、これらの処理ステップは、類似条件下で測定される異なるサンプルに関する前処理された較正データを利用してもよい。いくつかの事例では、プロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法は、（ｉ）サブフレームデータ自体内の一貫した特徴を識別することによって、サブフレームの整合を微調整するステップ、（ｉｉ）サブフレーム整合の微調整を使用し、測定の間のサンプルドリフトを補正するステップ、（ｉｉｉ）フィルタ処理し、測定中のサンプルもしくは物理的システム、検出器の特性、および／または光学系自体の予備知識を使用して、雑音を除去するステップ、ならびに／もしくは（ｉｖ）単一の読出サイクルの間に複数回露出された検出器アレイの領域からデータを推測するステップ等の付加的処理ステップを実施してもよい。

いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用してコンパイルされる、連続高フレームレートデータは、画像または回折データの約２～約４，１９４，３０４（例えば、２，０４８×２，０４８）個のフレームを備えてもよい。いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用してコンパイルされる、連続高フレームレートビデオデータは、画像または回折データの少なくとも２個、少なくとも４個、少なくとも８個、少なくとも１６個、少なくとも３２個、少なくとも６４個、少なくとも１２８個、少なくとも２５６個、少なくとも５１２個、少なくとも１，０２４個、少なくとも２，０４８個、少なくとも４，０９６個、少なくとも８，１９２個、少なくとも１６，３８４個、少なくとも３２，７６８個、少なくとも６５，５３６個、少なくとも１３１，０７２個、少なくとも２６２，１４４個、少なくとも５２４，２８８個、少なくとも１，０４８，５７６個、少なくとも２，０９７，１５２個、もしくは少なくとも４，１９４，３０４個のフレームを備えてもよい。いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用してコンパイルされる、連続高フレームレートビデオデータのフレームの数は、本範囲内の任意の値、例えば、画像または回折データの約６，２００個のフレームを有してもよい。いくつかの事例では、データを入手するために要求される合計時間は、サンプルのタイプおよび／または行われている測定に応じて、約１秒～約８時間に及んでもよい。いくつかの事例では、合計データ入手時間は、少なくとも１秒、少なくとも１０秒、少なくとも３０秒、少なくとも１分、少なくとも１０分、少なくとも３０分、少なくとも１時間、少なくとも２時間、少なくとも３時間、少なくとも４時間、少なくとも５時間、少なくとも６時間、少なくとも７時間、または少なくとも８時間であってもよい。

高フレームレート光学顕微鏡検査および撮像：主に高フレームレート透過型電子顕微鏡検査のためのデータ捕捉との関連で議論されるが、上記に説明される方法はまた、光学顕微鏡検査および撮像用途に適用されてもよい。例えば、電子ではなく光子の偏向のために好適な高速２次元偏向器が、サンプルまたは物体によって透過、反射、および／または散乱された光子のパターンを２次元検出器（例えば、ＣＣＤもしくはＣＭＯＳ画像センサ）または個々の検出器の２次元アレイの一連の２つ以上の小領域に偏向させるために使用されてもよい。光子を偏向させるための好適な２次元偏向器の実施例は、限定ではないが、回転ミラー、回転プリズム等を含む。電子の検出のために設計および最適化されるものではなく、紫外線、可視、または赤外光との併用のために設計および最適化された、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラ、もしくは他の検出器が、選定されるであろう。

上記に説明される高フレームレート透過型電子顕微鏡検査方法に関して、２次元検出器の連続読出モード、例えば、ＣＭＯＳカメラのためのローリングシャッタモードとの２次元偏向器変調制御信号の精密な連続同期化は、露出の時間においてアクティブに読み出されていない検出器の一連の２つ以上の小領域の露出を可能にする。小領域のそれぞれによって入手される画像フレームの処理が、次いで、２次元検出器のための読出レートよりも有意に高いフレームレートを有する、連続ビデオデータを組み立てるために、使用されてもよい。

再度、達成されるフレームレートの向上は、検出器（または２次元検出器アレイ）のための露出シーケンス／読出サイクル内に含まれる小領域（または個々の検出器）の総数によって判定される。例えば、小領域または個々の検出器の２×２アレイに対応する、例えば、４回の露出のシーケンスが使用される事例において、結果として生じるデータ入手フレームレートは、個々の検出器（または検出器の２次元アレイ）のための読出レートのものの４倍であり得る。いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用して達成されるビデオデータフレームレートは、少なくとも４倍、少なくとも８倍、少なくとも１２倍、少なくとも１６倍、少なくとも２０倍、少なくとも２４倍、少なくとも２８倍、少なくとも３２倍、少なくとも６４倍、少なくとも１２８倍、少なくとも２５６倍、少なくとも５１２倍、またはより高くあり得る。いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用して達成されるデータ入手フレームレートは、本範囲内の任意の値、例えば、少なくとも１４４倍であり得る。

いくつかの事例では、２次元偏向器は、光子を、例えば、２×２、３×３、４×４、５×５、６×６、７×７、８×８、９×９、１０×１０、１１×１１、１２×１２、１３×１３、１４×１４、１５×１５、１６×１６、１７×１７、１８×１８、１９×１９、２０×２０個の小領域、以上のもののパターンに偏向させるために使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、光子を、３×４、６×９、９×１２、１２×１５個等の小領域の非正方形アレイに偏向させるために使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、光子を、例えば、２次元検出器アレイ内の２×２、３×３、４×４、５×５、６×６、７×７、８×８、９×９、１０×１０、１１×１１、１２×１２、１３×１３、１４×１４、１５×１５、１６×１６、１７×１７、１８×１８、１９×１９、２０×２０個、以上の異なる検出器のパターンに偏向させるために使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、光子を、３×４、６×９、９×１２、１２×１５個の検出器等の個々の検出器の非正方形アレイに偏向させるために使用されてもよい。

いくつかの事例では、サブフレームまたは小領域（すなわち、露出領域）は、例えば、隣接する長方形領域であってもよい。いくつかの事例では、それらは、非長方形および／または非隣接であり得る。いくつかの事例では、偏向されたビームは、円形開口を通して投影され、それによって、カメラ上に円形画像のアレイを投影することをもたらし得る。いくつかの事例では、シーケンスの間に決して露出されないピクセルから成る、露出領域の間の間隙が存在し得る。いくつかの事例では、あるピクセルが、読み出される前に複数回露出されるように、露出領域の間に重複が存在し得る。

いくつかの事例では、カメラの異なるサブフレーム／小領域を露出する順序は、アクティブに読み出されているカメラの具体的領域を露出することを回避する、任意のパターンであってもよい。例えば、いくつかの事例では、正弦パターンが、最小切替時間を達成するために使用されてもよい。いくつかの事例では、小領域の各行内の露出の順序は、シャッフルされ得る。いくつかの事例では、サブフレーム露出シーケンスは、カメラ読出サイクル毎に同一である場合とそうではない場合がある。いくつかの事例では、各サブフレームは、所与のカメラ読出サイクルに関して正確に１回露出されてもよい。他の事例において、あるサブフレームが、複数回露出されてもよい。そのような露出シーケンスは、圧縮感知データ入手モードを実装する際に使用される場合とそうではない場合がある。いくつかの事例では、あるサブフレームが、時間に基準マークを生成し、データの解釈を促進するように、スキップされてもよい。

ある事例では、各小領域または２次元検出器アレイ内の個々の検出器における露出の持続時間（すなわち、小領域または個々の検出器毎の滞留時間）は、約１マイクロ秒～約１００ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、少なくとも１マイクロ秒、少なくとも１０マイクロ秒、少なくとも１００マイクロ秒、少なくとも１ミリ秒、少なくとも１０ミリ秒、または少なくとも１００ミリ秒であってもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、最大で１００ミリ秒、最大で１０ミリ秒、最大で１ミリ秒、最大で１００マイクロ秒、最大で１０マイクロ秒、または最大で１マイクロ秒であってもよい。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、滞留時間は、約１０マイクロ秒～約１０ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、本範囲内の任意の値、例えば、約１．３ミリ秒を有してもよい。いくつかの事例では、サブフレーム／露出領域／個々の検出器毎の滞留時間は、相互と等しくあり得る。いくつかの事例では、サブフレーム／露出領域／個々の検出器毎の滞留時間は、相互と異なり得、個別に調節可能であり得る。

いくつかの事例では、本明細書に説明される方法およびシステムは、データの時間的歪曲を負うことなく、高デューティサイクル動作を提供するように構成される。いくつかの事例では、デューティサイクルは、データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％であってもよい。

一般に、２次元偏向器の切替速度は、時間的歪曲を最小限にするために、すなわち、フレームの間にぼやけが存在しないように、小領域または個々の検出器の露出のために使用される滞留時間と比較して、速くあるべきである。いくつかの事例では、２次元偏向器の切替時間は、約１ナノ秒～約１ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、切替時間は、少なくとも１ナノ秒、少なくとも１０ナノ秒、少なくとも１００ナノ秒、少なくとも１マイクロ秒、少なくとも１０マイクロ秒、少なくとも１００マイクロ秒、または少なくとも１ミリ秒である。いくつかの事例では、切替時間は、最大で１ミリ秒、最大で１００マイクロ秒、最大で１０マイクロ秒、最大で１マイクロ秒、最大で１００ナノ秒、最大で１０ナノ秒、または最大で１ナノ秒である。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、切替時間は、約１０ナノ秒～約１０マイクロ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、切替時間は、本範囲内の任意の値、例えば、約１．３ミリ秒を有してもよい。いくつかの事例では、サブフレーム／露出領域／個々の検出器の間で切り替えるための切替時間は、相互と等しくあり得る。いくつかの事例では、切替時間は、異なり得、個別に調節可能であり得る。

電子顕微鏡検査の場合に関して、２次元偏向器によって達成される空間的位置付けは、偏向された画像または回折パターンを再配置する際のジッタが単一の画像センサピクセルのほぼ寸法未満であるために、十分に正確であるべきである。いくつかの事例では、２次元偏向器によって達成される空間的位置付けは、約５００μｍよりも良好に、約４５０μｍよりも良好に、約４００μｍよりも良好に、約３５０μｍよりも良好に、約３００μｍよりも良好に、約２５０μｍよりも良好に、約２００μｍよりも良好に、約１５０μｍよりも良好に、約１００μｍよりも良好に、約９０μｍよりも良好に、約８０μｍよりも良好に、約７０μｍよりも良好に、約６０μｍよりも良好に、約５０μｍよりも良好に、約４０μｍよりも良好に、約３０μｍよりも良好に、約２０μｍよりも良好に、約１０μｍよりも良好に、約９μｍよりも良好に、約８μｍよりも良好に、約７μｍよりも良好に、約６μｍよりも良好に、約５μｍよりも良好に、約４μｍよりも良好に、約３μｍよりも良好に、約２μｍよりも良好に、または約１μｍよりも良好に正確である。

再度、検出器の読出サイクル（例えば、ＣＭＯＳカメラのためのローリングシャッタ読出サイクル）との２次元偏向器の同期化は、５０ミリ秒よりも良好に、４０ミリ秒よりも良好に、３０ミリ秒よりも良好に、２０ミリ秒よりも良好に、１０ミリ秒よりも良好に、９ミリ秒よりも良好に、８ミリ秒よりも良好に、７ミリ秒よりも良好に、６ミリ秒よりも良好に、５ミリ秒よりも良好に、４ミリ秒よりも良好に、３ミリ秒よりも良好に、２ミリ秒よりも良好に、１ミリ秒よりも良好に、９００マイクロ秒よりも良好に、８００マイクロ秒よりも良好に、７００マイクロ秒よりも良好に、６００マイクロ秒よりも良好に、５００マイクロ秒よりも良好に、４００マイクロ秒よりも良好に、３００マイクロ秒よりも良好に、２００マイクロ秒よりも良好に、１００マイクロ秒よりも良好に、９０マイクロ秒よりも良好に、８０マイクロ秒よりも良好に、７０マイクロ秒よりも良好に、６０マイクロ秒よりも良好に、５０マイクロ秒よりも良好に、４０マイクロ秒よりも良好に、３０マイクロ秒よりも良好に、２０マイクロ秒よりも良好に、１０マイクロ秒よりも良好に、９マイクロ秒よりも良好に、８マイクロ秒よりも良好に、７マイクロ秒よりも良好に、６マイクロ秒よりも良好に、５マイクロ秒よりも良好に、４マイクロ秒よりも良好に、３マイクロ秒よりも良好に、２マイクロ秒よりも良好に、１マイクロ秒よりも良好に、９００ナノ秒よりも良好に、８００ナノ秒よりも良好に、７００ナノ秒よりも良好に、６００ナノ秒よりも良好に、５００ナノ秒よりも良好に、４００ナノ秒よりも良好に、３００ナノ秒よりも良好に、２００ナノ秒よりも良好に、または１００ナノ秒よりも良好に正確であり得る。

上記に議論される電子顕微鏡検査方法およびシステムに関して、開示される光学方法（およびそれらを実装するように構成される光学システム）はさらに、入手されたデータを処理し、高フレームレートデータを発生させるためのプロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法を含んでもよい。例えば、いくつかの事例では、プロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法は、（ｉ）未加工カメラ読出データを、個々の画像を含有するサブフレームにセグメント化し、（ｉｉ）偏向プロセスによって導入される歪曲を補正し、（ｉｉｉ）次いで、標準動作モードで同一の検出器からのより遅いデータに使用されたであろう、同一の方法に従って直接視認される、または定量的に分析され得る、画像スタックもしくはビデオデータを組み立てるために、サブフレームを整合させてもよい。いくつかの事例では、これらの処理ステップは、画像データが入手されたものと同一のサンプルからの前処理された較正データを利用してもよい。いくつかの事例では、これらの処理ステップは、類似条件下で測定される異なるサンプルに関する前処理された較正データを利用してもよい。いくつかの事例では、プロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法は、（ｉ）サブフレームデータ自体内の一貫した特徴を識別することによって、サブフレームの整合を微調整するステップ、（ｉｉ）サブフレーム整合の微調整を使用し、測定の間のサンプルドリフトを補正するステップ、（ｉｉｉ）フィルタ処理し、測定中のサンプルもしくは物理的システム、検出器の特性、および／または光学系自体の予備知識を使用して、雑音を除去するステップ、ならびに／もしくは（ｉｖ）単一の読出サイクルの間に複数回露出された検出器アレイの領域からデータを推測するステップ等の付加的処理ステップを実施してもよい。

いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用してコンパイルされる、連続高フレームレートデータは、画像または回折データの約２～約４，１９４，３０４（例えば、２，０４８×２，０４８）個のフレームを備えてもよい。いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用してコンパイルされる、連続高フレームレートビデオデータは、画像または回折データの少なくとも２個、少なくとも４個、少なくとも８個、少なくとも１６個、少なくとも３２個、少なくとも６４個、少なくとも１２８個、少なくとも２５６個、少なくとも５１２個、少なくとも１，０２４個、少なくとも２，０４８個、少なくとも４，０９６個、少なくとも８，１９２個、少なくとも１６，３８４個、少なくとも３２，７６８個、少なくとも６５，５３６個、少なくとも１３１，０７２個、少なくとも２６２，１４４個、少なくとも５２４，２８８個、少なくとも１，０４８，５７６個、少なくとも２，０９７，１５２個、もしくは少なくとも４，１９４，３０４個のフレームを備えてもよい。いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用してコンパイルされる、連続高フレームレートビデオデータのフレームの数は、本範囲内の任意の値、例えば、画像または回折データの約６，２００個のフレームを有してもよい。いくつかの事例では、データを入手するために要求される合計時間は、サンプルのタイプおよび／または行われている測定に応じて、約１秒～約８時間に及んでもよい。いくつかの事例では、合計データ入手時間は、少なくとも１秒、少なくとも１０秒、少なくとも３０秒、少なくとも１分、少なくとも１０分、少なくとも３０分、少なくとも１時間、少なくとも２時間、少なくとも３時間、少なくとも４時間、少なくとも５時間、少なくとも６時間、少なくとも７時間、または少なくとも８時間であってもよい。

いくつかの事例では、光学画像データの高フレームレート入手のための開示される方法は、細胞または他の顕微鏡的構造を撮像するための光学顕微鏡検査との関連で実装されてもよい。いくつかの事例では、光学画像データの高フレームレート入手のための開示される方法は、移動する物体を撮像するための高速ビデオカメラとの関連で実装されてもよい。

高ダイナミックレンジ電子顕微鏡検査：電子顕微鏡（ＥＭ）を使用する回折データの測定は、材料の特性評価および分析のための不可欠なツールである。実施例は、限定ではないが、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で実施される、選択面積電子回折（ＳＡＥＤ）、収束ビーム電子回折（ＣＢＥＤ）、および透過菊池回折（ＴＫＤ）測定を含む。回折データを収集するための主要な課題のうちの１つは、データが、典型的には、現在市場に出ている検出器のダイナミックレンジを超えることである。これは、重要な情報を歪曲する、または曖昧にし得る、検出器飽和効果につながる（図５）。本明細書に説明される方法によって付与されるような検出器飽和問題を負うことなく、高スループットで回折パターンデータ（または画像データ）の全ダイナミックレンジをより忠実に捕捉する能力は、最先端技術と比べて有意な進歩を構成する。

他の技法も、画像タイプデータにおける限定されたダイナミックレンジの問題に対処するために過去の試行で使用されてきたが、これらの技法の全てが、回折データまたは電子顕微鏡検査にさえも適用されてきたわけではない。選択的閉塞が、多くのＴＥＭ回折データ入手システムのための標準的実践となっている。本アプローチは、非回折電子のための衝撃点に対応する明るい中心スポットの予測可能な場所における検出器の前に針等の物体を単に設置するステップを含む（図５参照）。本プロセスは、回折パターンデータの一部を犠牲にし、中心から遠くでより薄暗い回折スポットの測定を可能にする。残念ながら、概して、非回折電子の全てをブロックし、検出器飽和を完全に排除することは可能ではなく、有用な情報の有意な損失が生じる。本明細書に開示される方法は、画像面積全体にわたって薄暗いおよび明るいスポットの両方からの情報の捕捉を可能にする。

別の従来技術の方法は、ビデオが高フレームレートにおいて捕捉され、恣意的な数のフレームが所望の露出時間を取得するように合計される、高速動画／線量分割である。本明細書に開示される方法が、はるかに広範囲の値（現在まで、我々は１秒から５０ナノ秒までの範囲内の露出時間を実証してきた）にわたって露出の制御を可能にする、静電偏向器を使用する一方、カメラフルフレーム露出は、典型的には、最高級カメラでさえも１ミリ秒またはより長い。さらに、開示される方法は、より高速の合計入手時間を提供し、例えば、サイクル時間が検出器読出待ち時間によって限定される状況では、開示されるシステムは、別の検出器が読み出されている間に１つの検出器を露出することができ、複数の露出時間からのデータが、単一の検出器読出周期の均等物において捕捉および転送されることができる。本速度は、サンプル上の多くの場所において画像を入手するために使用され得る、４Ｄ ＳＴＥＭ等の用途において重要であり、典型的には、センサスループットによって限定される。

二重ＥＥＬ（国際公開第ＷＯ２０１９／０２８１２９Ａ１号参照）は、別の関連技法であるが、本開示される方法と極めて明確に異なる。電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）スペクトルが、エネルギー情報をカメラ上の空間偏移に変換する、特殊検出器において測定される。スペクトルの第２の偏移コピーが、同一の検出器上で異なる露出時間において得られ、２つのコピーは、同一の測定からさらなる情報を抽出するように別個に分析されることができる。スペクトルの２つのコピーのための露出時間は、独立して変動されることができる。実装は、高速１次元静電偏向器を使用し、電子をＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラの異なる領域に指向する。本開示される方法が、画像および回折データ入手のダイナミックレンジを向上させることを対象としている一方、二重ＥＥＬＳは、単一の検出器を備えるシステムにおける電子エネルギー分光法を実施するために使用される方法である。さらに、本開示される方法は、二重ＥＥＬＳアプローチが変調させない、カメラセンサ上（または異なるセンサのアレイ上）の画像または回折データの倍率ならびに位置を変調させることを可能にする。

直接検出ＥＥＬＳ（米国特許出願公開第２０１７／０２０７０５９Ａ１号、以降では「第‘０５９号特許出願」）は、計数モード高速直接電子検出器がＥＥＬ分光計に統合され、高速静電ビームブランカが露出時間を制御する、アプローチである。異なる露出時間を伴う複数の検出器読出が、最適なダイナミックレンジを伴う単一のデータセットを発生させるように、順次、処理される。計数モード直接検出は、いくつかの状況ではより低い雑音を呈する、電子を撮像する新しい方法である。第‘０５９号特許出願に開示されるアプローチは、計数モードの欠点、すなわち、非常に低い最大電子線量率、したがって、ダイナミックレンジを克服することを目的とするが、本明細書に開示される方法と異なる。本開示される方法が、静電または電磁光学系を使用し、画像または回折データを単一の検出器内の異なる検出器または異なるピクセル領域に切り替える一方、第‘０５９号特許出願は、電子がカメラに到達しないように阻止するための静電光学系を使用する。本開示される方法およびシステムは、潜在的により高いデューティサイクルおよびサンプルへの低減した線量を用いて、データを収集することを可能にする。

携帯電話カメラによる画像捕捉および他の科学的画像用途で頻繁に使用される方法は、異なる露出時間において２つの写真を撮影するステップと、画像を後処理し、単一の高ダイナミックレンジ画像を生成するステップとを含む。測定の間のサンプル整合および他の撮像条件におけるドリフトは、本方法をあまり信頼できないものにし、その使用は、他の技法、例えば、画像センサが、異なる露出レベルにおいて読み出され、後処理において単一の画像にともにスティッチングされる、ピクセルの交互の行を備える、Ｓｏｎｙ Ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ ＨＤＲアプローチを支持して、最高級携帯電話カメラから撤退されつつある。本アプローチは、２回の代わりに１回の露出を使用して、ＨＤＲ画像の入手を可能にするため、以前の携帯電話方法と比べて改良を提供する。より新しいセンサ、例えば、Ｓｏｎｙ ＩＭＸ２９４ＣＪＫカラーＳＭＯＳ画像センサは、異なる同時露出レベルを使用する、より複雑なピクセルパターンを有する。これらのアプローチは、いくつかの事例では、画像および回折データ入手のダイナミックレンジを向上させるための本開示される方法およびシステムが、複数の検出器の使用を含み得るという点で、本開示される方法およびシステムと異なる。さらに、本開示される方法およびシステムは、カメラセンサ上の画像もしくは回折データおよび／またはサンプル上のプローブビームの倍率ならびに位置を変調させることを可能にする。本開示される方法およびシステムにおける高速２次元偏向器の使用はまた、露出時間に対してより優れた制御も提供する。最後に、行間ＨＤＲアプローチには、複数の露出レベルにおける画像内の同一の位置のために入手されるデータが存在しないため、行間ＨＤＲは、科学的用途では望ましくない場合がある、干渉により大きく依拠する。

本明細書に説明される方法およびシステムと対照的に、従来技術の方法のうちのいずれも、感度および／または飽和レベルに関して個別に調節され得る、複数の明確に異なる検出器（またはある事例では、単一の検出器の異なる小領域）の間でサンプルによって透過もしくは散乱される電子の急速偏向を利用しない。異なる検出器（または単一の検出器の小領域）によって捕捉される個々の画像フレームは、続いて、単一の画像センサまたは単一のフルフレーム画像センサ読出で達成可能なものよりもはるかに高いダイナミックレンジを備える、１つ以上の画像フレームを生成するように、処理されてもよい。開示される方法は、以前の方法よりも高いダイナミックレンジ、検出器タイプの観点からの多用途性の増加、最小限の複雑性、および露出レベルに対するさらなる制御を提供する。

ＴＥＭ画像検出器には、感度と損傷に対する抵抗との間にトレードオフが存在する。いくつかの状況では、異なる測定および状況のために独立して最適化される、検出器のアレイを交互に繰り返すことが有利であり得る。例えば、電子ビームは、センサに簡潔に在圏し、電流を測定する、または測定シーケンスの間の適切な整合を検証し得る。または比較的に長い露出時間（すなわち、所与の検出器または検出器小領域におけるビームの滞留時間）が、電子放射線の損傷に対して比較的により耐性があるカメラまたは検出器アレイの具体的領域に与えられてもよい。実験パラメータがビデオ測定と協調して変調される用途では、データが一時的に無効になる、または雑音が多くなる、時間が存在し得る。より広いデータセットの汚染を防止するために、画像データは、無効にされる、またはそのような時間の間にゼロ感度を有する、検出器領域に偏向されることができる。多種多様の潜在的用途に起因して、開示される方法およびシステムで使用されるセンサまたは検出器は、いくつかの事例では、単に、修正されていない商業用ＴＥＭ画像検出器であってもよい、または他の事例では、異なる性能特性もしくは目的のために最適化される検出器のアレイであってもよい。回折パターン測定は、ダイナミックレンジによって最も限定される、ＥＭ用途のうちの１つである。しかしながら、開示される方法は、実空間ＴＥＭ撮像用途にも等しく適用可能である。

留意されるように、本開示される方法およびシステムは、異なる精密に制御された露出時間にわたって複数の検出器（または単一の検出器内の異なる小領域）を偏向された電子に暴露するように、電子ビームを急速に偏向させることによって、電子顕微鏡（またはいくつかの事例では、下記にさらに議論されるであろうような光学システム）における測定のダイナミックレンジを向上させる。いくつかの事例では、２次元検出器の連続読出モード、例えば、ＣＭＯＳカメラのためのローリングシャッタモードとの２次元偏向器変調制御信号の精密な連続同期化は、露出の時間においてアクティブに読み出されていない検出器の一連の２つ以上の小領域の露出を可能にし、小領域または個々の検出器のそれぞれによって入手される画像フレームのさらなる処理が、次いで、ＣＭＯＳカメラまたは２次元検出器アレイのための読出レートよりも有意に高いフレームレートを有する、連続高ダイナミックレンジビデオデータを組み立てるために、使用されてもよい。

いくつかの事例では、検出器の２次元アレイ内の検出器は、特定のセンサの同じコピー、または異なる電子露出レベルのために適切なフィルタ、マスク、もしくは感度レベルまたは飽和レベル調節を使用して個別に修正された、特定のセンサのコピーであってもよい。留意されるように、いくつかの事例では、検出器は、ＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラ等の単一の複合検出器の小領域であってもよい。いくつかの事例では、検出器アレイは、例えば、画像、電子ビーム電流、電子ビーム整合、または他の診断数量を感知するように最適化される、異なるデバイスの組み合わせを含有してもよい。好適なデバイスの実施例は、限定ではないが、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、暗視野ＳＴＥＭ検出器、ファラデーカップ、クワッドフォトダイオード、環状暗視野検出器、明視野検出器、汎用検出器、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの事例では、所与の検出器の感度は、例えば、非回折電子が、典型的には、ある回折測定においてカメラに衝打する、明るい中心スポットをブロックするように、空間的に変動するパターンで修正されてもよい。

いくつかの事例では、本明細書に開示されるＨＤＲシステムは、カメラ上の偏向された電子パターンおよび／またはサンプル上のプローブビームの倍率ならびに位置を変調させるように構成されてもよい。いくつかの事例では、偏向された電子パターンおよび／またはプローブビームの倍率は、拡大されていない偏向された電子パターンもしくはプローブビームのものの少なくとも２倍、４倍、８倍、１６倍、または３２倍であってもよい。

実装の１つの非限定的実施例では、露出は、図６に図示されるように、サンプルと検出器アレイとの間に設置される、高速静電偏向器によって制御されてもよい。偏向器は、電場を印加し、規定検出器上に画像データを含有する電子ビームまたは回折パターンの画像を操向する。偏向器は、検出器アレイのレイアウトに応じて、１つまたは２つの空間次元内でビームを操向してもよい。滞留時間は、各検出器の露出レベルを設定する。例えば、４つの検出器のアレイでは、検出器１が、１００ナノ秒にわたって露出され得、次いで、検出器２が、１マイクロ秒にわたって露出され得、次いで、検出器３が、１０マイクロ秒にわたって露出され得、次いで、検出器４が、１００マイクロ秒にわたって露出され得る。露出が完了した後、偏向器は、全ての検出器から離れるようにビームを操向し得る。いくつかの事例では、偏向器はまた、画像の倍率を調節し、変動する検出器の高さおよび位置を補償する、または結果として生じるデータの倍率を変動させ得る。

偏向器は、読出が露出と対立しないように、検出器アレイの読出サイクルに同期化される。（例えば、ＳＴＥＭ測定における）サンプル上の入射ビーム位置の走査制御、サンプル上のビームの焦点調節、サンプル露出を制御するためのサンプル前ビームブランカ、またはサンプル自体の操作等の他の実験パラメータのタイミング制御もまた、偏向器システムと統合されてもよい。各検出器は、単一の測定シーケンスの間に、１回またはそれを上回って露出され、読み出されてもよい。完全な測定プロセスのためのフローチャートが、図７に図示される。図７に示されるように、測定プロセスは、（ｉ）電子ビームを、整合をチェックする、および／または他のビーム診断を実施するために使用される１つ以上の検出器に偏向させるステップと、（ｉｉ）整合ステップならびに／もしくはビーム診断を実施するステップと、（ｉｉｉ）随意に、測定プロセスに影響を及ぼす１つ以上の実験パラメータを変調させるステップ（例えば、電子ビームに対するサンプルの傾転角を変化させるステップ）と、（ｉｖ）電子ビームを、滞留時間（露出）が異なる検出器または小領域に関して変動され得る、１つ以上の検出器もしくは検出器の小領域に偏向させるステップと、（ｖ）１つ以上の検出器もしくは検出器の小領域を読み出すステップとを含んでもよい。図７に図示されるプロセスはまた、下記にさらに議論されるであろうように、開示されるＨＤＲ方法およびシステムの光学的実装にも適用可能である。

開示される方法はまた、複数の検出器からのデータ読出から単一の測定（例えば、画像または回折データの単一のフレーム）を再構築するためのプロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法を含んでもよい（図８）。検出器読出は、分析のためにプロセッサまたはコンピュータによって処理されてもよい。分析方法は、偏向器によって導入されるものを含む歪曲の補正と、各検出器の既知の露出時間および特性を組み込む着信データの較正と、異なる検出器読出が空間的に重複され得るようなデータの整合および登録と、複合データセットが、個々のデータセットの最適な組み合わせを含有し、測定されている数量を正確に表すように、所与の検出器上で露出過剰または不足である領域を適切に加重する、個々の測定の組み合わせの実施とを含んでもよい。結果として生じる複合データセットは、実質的に向上したダイナミックレンジを有する。

図９は、サンプルによって透過または散乱される電子を異なる検出器または検出器の小領域に偏向させるように２次元静電偏向器と組み合わせられる、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）走査コントローラ（サンプル面を横断して電子ビームプローブを走査する）の概略図を提供する。いくつかの事例では、開示される方法はまた、従来の透過型電子顕微鏡検査で、すなわち、サンプル面を横断して電子ビームプローブを走査しない動作モードで実装されてもよい。図１０Ａ－Ｅは、ＴＥＭにおける電子の静電偏向を制御し、２次元検出器の異なる小領域または検出器の２次元アレイ内の異なる検出器を露出するためのタイミング図の非限定的実施例を提供する。開示される高ダイナミックレンジデータ入手方法を実装するために使用されるシステムハードウェアは、上記に説明される高フレームレートデータ入手方法を実装するために使用されるもの、例えば、速い切替時間および正確な位置付けを有する、高速２次元静電または電磁偏向器と同一である、もしくは類似する。サブフレーム／露出領域／検出器滞留時間のための関連性がある時系列もまた、同一である。いくつかの事例では、本開示は、カメラの露出領域が、検出器または検出器アレイのための読出パターンに同期化されるように、上記に説明されるようなＨＤＲおよびＨＦＲ動作を組み合わせるシステムを含む。

図９に図式的に図示される２次元静電偏向器システムは、電子ビームプローブをサンプル場所のシーケンス（通常、一様な滞留時間を伴う１２８×１２８ピクセル～４，０９６×４，０９６ピクセルの正方形アレイ）に指向する、ＳＴＥＭ走査コントローラに同期化されて示される。しかしながら、他の実装では、プローブパターンは、サンプル上の場所および／または露出時間のある恣意的パターンであり得る。いくつかの事例では、サブフレーム／露出領域／検出器偏向シーケンスは、サンプル上のその位置を越えたプローブビームの他のパラメータ、例えば、焦点深度または収束角の変調に同期化されてもよい。いくつかの事例では、プローブとサブフレーム／露出領域／検出器偏向シーケンスとの間のタイミング同期化は、ＳＴＥＭコントローラから偏向器コントローラに、または反対に信号を送信することによって遂行されてもよい。いくつかの事例では、信号は、ＳＴＥＭプローブ場所毎の信号、ＳＴＥＭプローブ走査における各線、または事前プログラムされたシーケンスの開始を示すある初期信号に対応し得る。

いくつかの事例では、カメラ／検出器読出とサブフレーム／露出領域／検出器偏向シーケンスとの間のタイミング同期化が、偏向器制御システムとカメラ／検出器との間のいずれかの方向に送信される制御信号によって確立されることができる。ある事例では、サンプル上のプローブ場所（またはプローブパラメータの他の組み合わせ）毎に露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、変動し得る。いくつかの事例では、サンプル上のプローブ場所（またはプローブパラメータの他の組み合わせ）毎に露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、同一であり得る。

留意されるように、図１０Ａ－Ｅは、ＴＥＭにおける電子の静電偏向を制御し、２次元検出器の異なる小領域または検出器の２次元アレイ内の異なる検出器を露出するためのタイミング図の非限定的実施例を提供する。図１０Ａは、サンプル上のプローブビーム場所のシーケンスの概略図を提供する。サンプルを横断したプローブビームの走査のための対応するタイミング図が、図１０Ｂに描写される。図１０Ｃは、１０個の検出器または検出領域のアレイを図示する。いくつかの事例では、例えば、検出領域１－９は、単一の検出器、例えば、ＣＭＯＳカメラの小領域であってもよく、検出領域１０は、別個の検出器、例えば、ビーム診断センサを備えてもよい。図１０Ｄは、異なる検出器／検出器領域のための露出時間（滞留時間）が異なる、図１０Ｃに図示される露出のシーケンスを実装するためのタイミング図を図示する。図１０Ｅは、図１０Ｃおよび１０Ｄに描写される偏向パターンおよびタイミングを実装するように２次元静電偏向器内の電極対の間に印加される電圧のタイミング図を図示する。

いくつかの事例では、例えば、サンプル上のプローブ場所（またはプローブパラメータの他の組み合わせ）毎に露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、約２～約２０に及んでもよい。いくつかの事例では、サンプル上のプローブ場所（またはプローブパラメータの他の組み合わせ）毎に露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、少なくとも２、少なくとも３、少なくとも４、少なくとも５、少なくとも６、少なくとも７、少なくとも８、少なくとも９、少なくとも１０、少なくとも１５、または少なくとも２０であってもよい。いくつかの事例では、サンプル上のプローブ場所（またはプローブパラメータの他の組み合わせ）毎に露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、最大で２０、最大で１５、最大で１０、最大で９、最大で８、最大で７、最大で６、最大で５、最大で４、最大で３、または最大で２であってもよい。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、サンプル上のプローブ場所（またはプローブパラメータの他の組み合わせ）毎に露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、約４～約１５に及んでもよい。いくつかの事例では、サンプル上のプローブ場所（またはプローブパラメータの他の組み合わせ）毎に露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、本範囲内の任意の値、例えば、約１２であってもよい。いくつかの事例では、異なる露出領域／検出器（例えば、図９の検出器領域１－１０）は、異なる検出器を備えてもよい。いくつかの事例では、異なる露出領域／検出器（例えば、図９の検出器領域１－９）の全てまたは一部は、単一の検出器の小領域を備えてもよい。

いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用して達成されるダイナミックレンジの向上は、少なくとも２倍、少なくとも４倍、少なくとも８倍、少なくとも１２倍、少なくとも１６倍、少なくとも２０倍、少なくとも４０倍、少なくとも６０倍、少なくとも８０倍、少なくとも１００倍、少なくとも２５０倍、少なくとも５００倍、少なくとも７５０倍、少なくとも１，０００倍、少なくとも２，０００倍、少なくとも３，０００倍、少なくとも４，０００倍、少なくとも５，０００倍、またはより高くあり得る。いくつかの事例では、達成されるダイナミックレンジの向上は、本範囲内の任意の値、例えば、少なくとも１５倍であり得る。

上記に説明される高フレームレートデータ入手方法に関して、露出の異なるパターンが、ＨＤＲデータセットを入手する際に使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、電子を、例えば、２×２、３×３、４×４、５×５、６×６、７×７、８×８、９×９、１０×１０、１１×１１、１２×１２、１３×１３、１４×１４、１５×１５、１６×１６、１７×１７、１８×１８、１９×１９、２０×２０個の異なる小領域または異なる検出器、もしくはそれを上回るパターンに偏向させるために使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、電子を、３×４、６×９、９×１２、１２×１５個等の小領域または検出器の非正方形アレイに偏向させるために使用されてもよい。

いくつかの事例では、所与のサブフレーム／小領域／露出領域／検出器における所与のプローブ設定のための滞留時間または露出の持続時間は、全て同一であり得る、もしくはそれらは、異なり得る。いくつかの事例では、各小領域または２次元検出器アレイ内の個々の検出器における露出の持続時間（すなわち、小領域または個々の検出器毎の滞留時間）は、約１マイクロ秒～約１００ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、少なくとも１マイクロ秒、少なくとも１０マイクロ秒、少なくとも１００マイクロ秒、少なくとも１ミリ秒、少なくとも１０ミリ秒、または少なくとも１００ミリ秒であってもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、最大で１００ミリ秒、最大で１０ミリ秒、最大で１ミリ秒、最大で１００マイクロ秒、最大で１０マイクロ秒、または最大で１マイクロ秒であってもよい。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、滞留時間は、約１０マイクロ秒～約１０ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、本範囲内の任意の値、例えば、約１．３ミリ秒を有してもよい。

いくつかの事例では、２次元偏向器の切替時間は、約１ナノ秒～約１ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、切替時間は、少なくとも１ナノ秒、少なくとも１０ナノ秒、少なくとも１００ナノ秒、少なくとも１マイクロ秒、少なくとも１０マイクロ秒、少なくとも１００マイクロ秒、または少なくとも１ミリ秒である。いくつかの事例では、切替時間は、最大で１ミリ秒、最大で１００マイクロ秒、最大で１０マイクロ秒、最大で１マイクロ秒、最大で１００ナノ秒、最大で１０ナノ秒、または最大で１ナノ秒である。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、切替時間は、約１０ナノ秒～約１０マイクロ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、切替時間は、本範囲内の任意の値、例えば、約１．３ミリ秒を有してもよい。いくつかの事例では、サブフレーム／露出領域／個々の検出器の間で切り替えるための切替時間は、相互と等しくあり得る。いくつかの事例では、切替時間は、異なり得、個別に調節可能であり得る。

図９に描写される各対の偏向器電極（ＸおよびＹ対）に印加される電圧波形は、等しい大きさまたは異なる大きさの段階的変化を備えてもよい。いくつかの事例では、各対の１つのプレートが、固定電圧で保持されてもよい、または各対に印加される電圧は、大きさが異なる、もしくは同一または反対の符号を有してもよい。いくつかの事例では、電圧波形の大きさは、約０ボルト～約１０ｋＶに及んでもよい。いくつかの事例では、電圧波形の大きさは、少なくとも０ボルト、少なくとも１０ボルト、少なくとも１００ボルト、少なくとも５００ボルト、少なくとも１，０００ボルト、少なくとも５ｋＶ、または少なくとも１０ｋＶであってもよい。いくつかの事例では、電圧波形の大きさは、最大で１０ｋＶ、最大で５ｋＶ、最大で１，０００ボルト、最大で５００ボルト、最大で１００ボルト、最大で１０ボルト、または約０ボルトであってもよい。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、電圧波形の大きさは、約１００ボルト～約１，０００ボルトに及んでもよい。いくつかの事例では、電圧波形の大きさは、本範囲内の任意の値、例えば、約１，２５０ボルトを有してもよい。電圧波形のための大きさおよびタイミングシーケンスは、プログラム可能であり、露出領域の数、小領域が露出される順序、および各小領域における露出の持続時間（すなわち、個々の検出器内の小領域毎の滞留時間）を判定する、４つの電極電圧のシーケンスを備える。

サブフレーム／露出領域の間の透過または散乱された電子の偏向は、電場を電子のビームに印加する電極対上の電圧のシーケンスを使用して、図９および図１０Ａ－１０Ｅに図示されるシステムにおいて遂行されてもよい。他の実装では、電子は、例えば、磁気コイルを通して駆動される電流のシーケンスによって発生される磁場を使用することによって、偏向されてもよい。さらに他の実装では、偏向プロセスによって導入される画像または回折データ歪曲が、低減されるように、電圧または電流が印加される、付加的電極もしくは電磁石が存在し得る。

前述で説明された高フレームレートデータ入手方法およびシステムに関して、２次元偏向器によって達成される空間的位置付けは、偏向された画像または回折パターンを再配置する際のジッタが単一の画像センサピクセルのほぼ寸法未満であるために、十分に正確であるべきである。いくつかの事例では、２次元偏向器によって達成される空間的位置付けは、約５００μｍよりも良好に、約４５０μｍよりも良好に、約４００μｍよりも良好に、約３５０μｍよりも良好に、約３００μｍよりも良好に、約２５０μｍよりも良好に、約２００μｍよりも良好に、約１５０μｍよりも良好に、約１００μｍよりも良好に、約９０μｍよりも良好に、約８０μｍよりも良好に、約７０μｍよりも良好に、約６０μｍよりも良好に、約５０μｍよりも良好に、約４０μｍよりも良好に、約３０μｍよりも良好に、約２０μｍよりも良好に、約１０μｍよりも良好に、約９μｍよりも良好に、約８μｍよりも良好に、約７μｍよりも良好に、約６μｍよりも良好に、約５μｍよりも良好に、約４μｍよりも良好に、約３μｍよりも良好に、約２μｍよりも良好に、または約１μｍよりも良好に正確である。

いくつかの事例では、検出器の読出サイクル（例えば、ＣＭＯＳカメラのためのローリングシャッタ読出サイクル）との２次元偏向器の同期化は、５０ミリ秒よりも良好に、４０ミリ秒よりも良好に、３０ミリ秒よりも良好に、２０ミリ秒よりも良好に、１０ミリ秒よりも良好に、９ミリ秒よりも良好に、８ミリ秒よりも良好に、７ミリ秒よりも良好に、６ミリ秒よりも良好に、５ミリ秒よりも良好に、４ミリ秒よりも良好に、３ミリ秒よりも良好に、２ミリ秒よりも良好に、１ミリ秒よりも良好に、９００マイクロ秒よりも良好に、８００マイクロ秒よりも良好に、７００マイクロ秒よりも良好に、６００マイクロ秒よりも良好に、５００マイクロ秒よりも良好に、４００マイクロ秒よりも良好に、３００マイクロ秒よりも良好に、２００マイクロ秒よりも良好に、１００マイクロ秒よりも良好に、９０マイクロ秒よりも良好に、８０マイクロ秒よりも良好に、７０マイクロ秒よりも良好に、６０マイクロ秒よりも良好に、５０マイクロ秒よりも良好に、４０マイクロ秒よりも良好に、３０マイクロ秒よりも良好に、２０マイクロ秒よりも良好に、１０マイクロ秒よりも良好に、９マイクロ秒よりも良好に、８マイクロ秒よりも良好に、７マイクロ秒よりも良好に、６マイクロ秒よりも良好に、５マイクロ秒よりも良好に、４マイクロ秒よりも良好に、３マイクロ秒よりも良好に、２マイクロ秒よりも良好に、１マイクロ秒よりも良好に、９００ナノ秒よりも良好に、８００ナノ秒よりも良好に、７００ナノ秒よりも良好に、６００ナノ秒よりも良好に、５００ナノ秒よりも良好に、４００ナノ秒よりも良好に、３００ナノ秒よりも良好に、２００ナノ秒よりも良好に、または１００ナノ秒よりも良好に正確であり得る。

いくつかの事例では、プローブパラメータの所与のセット（例えば、サンプル上の位置）のためのカメラ／検出器露出シーケンスは、プローブパラメータの異なるセットのために使用されるものと異なり得る。いくつかの事例では、プローブパラメータのあるセットの間の遷移の間に、回折データは、不鮮明または無効であり得る。そのような事例では、偏向器は、データを、無視されるであろう検出器の領域に、または検出器が位置しない場所に指向するために使用されてもよい。

いくつかの事例では、開示される方法（およびそれらを実装するように構成されるシステム）は、入手されたデータを処理し、高ダイナミックレンジ画像またはビデオデータを発生させるためのプロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法を含んでもよい。例えば、いくつかの事例では、プロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法は、（ｉ）未加工カメラ読出データを、個々の回折パターンまたは画像を含有するサブフレームにセグメント化し、（ｉｉ）偏向プロセスによって導入される歪曲を補正し、（ｉｉｉ）関連性がある一連／群のサブフレームをともに組み合わせてもよく、各一連は、それらの露出時間を除いて同じ測定パラメータを有する、２つ以上のサブフレームからのデータを含有し、向上したダイナミックレンジを有する、個々のパターンまたは画像を生成する。いくつかの事例では、これらの処理ステップは、画像データまたは回折データが入手されたものと同一のサンプルからの前処理された較正データを利用してもよい。いくつかの事例では、これらの処理ステップは、類似条件下で測定される異なるサンプルに関する前処理された較正データを利用してもよい。いくつかの事例では、プロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法は、（ｉ）異なる検出チャネル（例えば、異なるタイプの検出器からのデータセット）を組み合わせ、マルチモーダルデータセットを生成するステップ、（ｉｉ）サブフレームデータ自体内の一貫した特徴を識別することによって、サブフレームの整合を微調整するステップ、（ｉｉｉ）サブフレーム整合の微調整を使用し、測定の間のサンプルドリフトを補正するステップ、（ｉｖ）フィルタ処理し、測定中のサンプルもしくは物理的システム、検出器の特性、および／または光学系自体の予備知識を使用して、雑音を除去するステップ、ならびに／もしくは（ｖ）単一の読出サイクルの間に複数回露出された検出器アレイの領域からデータを推測するステップ等の付加的処理ステップを実施してもよい。

高ダイナミックレンジ光学顕微鏡検査および撮像：主に高ダイナミックレンジ透過型電子顕微鏡検査のためのデータ捕捉との関連で議論されるが、上記に説明される方法はまた、光学顕微鏡検査および撮像用途に適用されてもよい。例えば、電子ではなく光子の偏向のために好適な高速２次元偏向器が、サンプルまたは物体によって透過、反射、および／または散乱された光子のパターンを２次元検出器（例えば、ＣＣＤもしくはＣＭＯＳ画像センサ）または個々の検出器の２次元アレイの一連の２つ以上の小領域に偏向させるために使用されてもよい。光子を偏向させるための好適な２次元偏向器の実施例は、限定ではないが、回転ミラー、回転プリズム等を含む。電子の検出のために設計および最適化されるものではなく、紫外線、可視、または赤外光との併用のために設計および最適化された、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラ、もしくは他の検出器が、選定されるであろう。

上記に説明される高ダイナミックレンジ透過型電子顕微鏡検査方法に関して、小領域または個々の検出器のそれぞれのための滞留時間（露出時間）の精密な調節、および／または小領域もしくは個々の検出器のそれぞれのための感度ならびに／もしくは飽和レベルの調節は、単一の検出器を使用して達成可能であるよりも高いダイナミックレンジを有する、単一の画像フレームを生成するように処理され得る、一連の画像の入手を可能にする。いくつかの事例では、２次元検出器の連続読出モード、例えば、ＣＭＯＳカメラのためのローリングシャッタモードとの２次元偏向器変調制御信号の精密な連続同期化は、露出の時間においてアクティブに読み出されていない検出器の一連の２つ以上の小領域の露出を可能にし、さらに、小領域または個々の検出器のそれぞれによって入手される画像フレームの処理が、次いで、ＣＭＯＳカメラまたは２次元検出器アレイのための読出レートよりも有意に高いフレームレートを有する、連続高ダイナミックレンジビデオデータを組み立てるために、使用されてもよい。いくつかの事例では、本明細書に開示されるＨＤＲシステムは、カメラ上の偏向された光子パターンの倍率ならびに位置を変調させるように構成されてもよい。いくつかの事例では、偏向された電子パターンの倍率は、拡大されていない偏向された電子パターンのものの少なくとも２倍、４倍、８倍、１６倍、または３２倍であってもよい。

上記に説明される高フレームレート透過型電子顕微鏡検査方法に関して、単一の検出器または検出器のアレイのための読出サイクル内でサンプルもしくは物体によって透過、反射、または散乱される光子の偏向によって露出される、カメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、約２～約２０に及んでもよい。いくつかの事例では、露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、少なくとも２、少なくとも３、少なくとも４、少なくとも５、少なくとも６、少なくとも７、少なくとも８、少なくとも９、少なくとも１０、少なくとも１５、または少なくとも２０であってもよい。いくつかの事例では、露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、最大で２０、最大で１５、最大で１０、最大で９、最大で８、最大で７、最大で６、最大で５、最大で４、最大で３、または最大で２であってもよい。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、約４～約１５に及んでもよい。いくつかの事例では、露出されるカメラサブフレーム／露出領域／検出器の数は、本範囲内の任意の値、例えば、約１４であってもよい。

いくつかの事例では、開示される方法およびシステムを使用して達成されるダイナミックレンジの向上は、少なくとも２倍、少なくとも４倍、少なくとも８倍、少なくとも１２倍、少なくとも１６倍、少なくとも２０倍、少なくとも４０倍、少なくとも６０倍、少なくとも８０倍、少なくとも１００倍、少なくとも２５０倍、少なくとも５００倍、少なくとも７５０倍、少なくとも１，０００倍、少なくとも２，０００倍、少なくとも３，０００倍、少なくとも４，０００倍、少なくとも５，０００倍、またはより高くあり得る。いくつかの事例では、達成されるダイナミックレンジの向上は、本範囲内の任意の値、例えば、少なくとも１７倍であり得る。

いくつかの事例では、本明細書に開示される光学ＨＤＲシステムは、カメラまたは検出器アレイ上の偏向された光子または画像の倍率ならびに位置を変調させるように構成されてもよい。いくつかの事例では、偏向された光子（例えば、回折パターンまたは画像）の倍率は、拡大されていない偏向された回折パターンまたは画像のものの少なくとも２倍、４倍、８倍、１６倍、または３２倍であってもよい。

いくつかの事例では、２次元偏向器は、光子を、例えば、２×２、３×３、４×４、５×５、６×６、７×７、８×８、９×９、１０×１０、１１×１１、１２×１２、１３×１３、１４×１４、１５×１５、１６×１６、１７×１７、１８×１８、１９×１９、２０×２０個の小領域、以上のパターンに偏向させるために使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、光子を、３×４、６×９、９×１２、１２×１５個等の小領域の非正方形アレイに偏向させるために使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、光子を、例えば、２次元検出器アレイ内の２×２、３×３、４×４、５×５、６×６、７×７、８×８、９×９、１０×１０、１１×１１、１２×１２、１３×１３、１４×１４、１５×１５、１６×１６、１７×１７、１８×１８、１９×１９、２０×２０個、以上の異なる検出器のパターンに偏向させるために使用されてもよい。いくつかの事例では、２次元偏向器は、光子を、３×４、６×９、９×１２、１２×１５個の検出器等の個々の検出器の非正方形アレイに偏向させるために使用されてもよい。

いくつかの事例では、サブフレームまたは小領域（すなわち、露出領域）は、例えば、隣接する長方形領域であってもよい。いくつかの事例では、それらは、非長方形および／または非隣接であり得る。いくつかの事例では、偏向されたビームは、円形開口を通して投影され、それによって、カメラ上に円形画像のアレイを投影することをもたらし得る。いくつかの事例では、シーケンスの間に決して露出されないピクセルから成る、露出領域の間の間隙が存在し得る。いくつかの事例では、あるピクセルが、読み出される前に複数回露出されるように、露出領域の間に重複が存在し得る。

いくつかの事例では、カメラの異なるサブフレーム／小領域を露出する順序は、アクティブに読み出されているカメラの具体的領域を露出することを回避する、任意のパターンであってもよい。例えば、いくつかの事例では、正弦パターンが、最小切替時間を達成するために使用されてもよい。いくつかの事例では、小領域の各行内の露出の順序は、シャッフルされ得る。いくつかの事例では、サブフレーム露出シーケンスは、カメラ読出サイクル毎に同一である場合とそうではない場合がある。いくつかの事例では、各サブフレームは、所与のカメラ読出サイクルに関して正確に１回露出されてもよい。他の事例において、あるサブフレームが、複数回露出されてもよい。そのような露出シーケンスは、圧縮感知データ入手モードを実装する際に使用される場合とそうではない場合がある。いくつかの事例では、あるサブフレームが、時間に基準マークを生成し、データの解釈を促進するように、スキップされてもよい。

ある事例では、各小領域または２次元検出器アレイ内の個々の検出器における露出の持続時間（すなわち、小領域または個々の検出器毎の滞留時間）は、約１マイクロ秒～約１００ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、少なくとも１マイクロ秒、少なくとも１０マイクロ秒、少なくとも１００マイクロ秒、少なくとも１ミリ秒、少なくとも１０ミリ秒、または少なくとも１００ミリ秒であってもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、最大で１００ミリ秒、最大で１０ミリ秒、最大で１ミリ秒、最大で１００マイクロ秒、最大で１０マイクロ秒、または最大で１マイクロ秒であってもよい。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、滞留時間は、約１０マイクロ秒～約１０ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、滞留時間は、本範囲内の任意の値、例えば、約１．３ミリ秒を有してもよい。いくつかの事例では、サブフレーム／露出領域／個々の検出器毎の滞留時間は、相互と等しくあり得る。いくつかの事例では、サブフレーム／露出領域／個々の検出器毎の滞留時間は、相互と異なり得、個別に調節可能であり得る。

いくつかの事例では、本明細書に説明される方法およびシステムは、データの時間的歪曲を負うことなく、高デューティサイクル動作を提供するように構成される。いくつかの事例では、デューティサイクルは、データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％であってもよい。

一般に、２次元偏向器の切替速度は、時間的歪曲を最小限にするために、すなわち、フレームの間にぼやけが存在しないように、小領域または個々の検出器の露出のために使用される滞留時間と比較して、速くあるべきである。いくつかの事例では、２次元偏向器の切替時間は、約１ナノ秒～約１ミリ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、切替時間は、少なくとも１ナノ秒、少なくとも１０ナノ秒、少なくとも１００ナノ秒、少なくとも１マイクロ秒、少なくとも１０マイクロ秒、少なくとも１００マイクロ秒、または少なくとも１ミリ秒である。いくつかの事例では、切替時間は、最大で１ミリ秒、最大で１００マイクロ秒、最大で１０マイクロ秒、最大で１マイクロ秒、最大で１００ナノ秒、最大で１０ナノ秒、または最大で１ナノ秒である。本段落に説明される下限および上限値のうちのいずれかは、本開示内に含まれる範囲を形成するように組み合わせられてもよく、例えば、いくつかの事例では、切替時間は、約１０ナノ秒～約１０マイクロ秒に及んでもよい。いくつかの事例では、切替時間は、本範囲内の任意の値、例えば、約１．３ミリ秒を有してもよい。いくつかの事例では、サブフレーム／露出領域／個々の検出器の間で切り替えるための切替時間は、相互と等しくあり得る。いくつかの事例では、切替時間は、異なり得、個別に調節可能であり得る。

いくつかの事例では、２次元光学偏向器によって達成される空間的位置付けは、偏向された画像を再配置する際のジッタが単一の画像センサピクセルのほぼ寸法未満であるために、十分に正確であるべきである。いくつかの事例では、２次元光学偏向器によって達成される空間的位置付けは、約５００μｍよりも良好に、約４５０μｍよりも良好に、約４００μｍよりも良好に、約３５０μｍよりも良好に、約３００μｍよりも良好に、約２５０μｍよりも良好に、約２００μｍよりも良好に、約１５０μｍよりも良好に、約１００μｍよりも良好に、約９０μｍよりも良好に、約８０μｍよりも良好に、約７０μｍよりも良好に、約６０μｍよりも良好に、約５０μｍよりも良好に、約４０μｍよりも良好に、約３０μｍよりも良好に、約２０μｍよりも良好に、約１０μｍよりも良好に、約９μｍよりも良好に、約８μｍよりも良好に、約７μｍよりも良好に、約６μｍよりも良好に、約５μｍよりも良好に、約４μｍよりも良好に、約３μｍよりも良好に、約２μｍよりも良好に、または約１μｍよりも良好に正確である。

いくつかの事例では、検出器の読出サイクル（例えば、ＣＭＯＳカメラのためのローリングシャッタ読出サイクル）との２次元偏向器の同期化は、５０ミリ秒よりも良好に、４０ミリ秒よりも良好に、３０ミリ秒よりも良好に、２０ミリ秒よりも良好に、１０ミリ秒よりも良好に、９ミリ秒よりも良好に、８ミリ秒よりも良好に、７ミリ秒よりも良好に、６ミリ秒よりも良好に、５ミリ秒よりも良好に、４ミリ秒よりも良好に、３ミリ秒よりも良好に、２ミリ秒よりも良好に、１ミリ秒よりも良好に、９００マイクロ秒よりも良好に、８００マイクロ秒よりも良好に、７００マイクロ秒よりも良好に、６００マイクロ秒よりも良好に、５００マイクロ秒よりも良好に、４００マイクロ秒よりも良好に、３００マイクロ秒よりも良好に、２００マイクロ秒よりも良好に、１００マイクロ秒よりも良好に、９０マイクロ秒よりも良好に、８０マイクロ秒よりも良好に、７０マイクロ秒よりも良好に、６０マイクロ秒よりも良好に、５０マイクロ秒よりも良好に、４０マイクロ秒よりも良好に、３０マイクロ秒よりも良好に、２０マイクロ秒よりも良好に、１０マイクロ秒よりも良好に、９マイクロ秒よりも良好に、８マイクロ秒よりも良好に、７マイクロ秒よりも良好に、６マイクロ秒よりも良好に、５マイクロ秒よりも良好に、４マイクロ秒よりも良好に、３マイクロ秒よりも良好に、２マイクロ秒よりも良好に、１マイクロ秒よりも良好に、９００ナノ秒よりも良好に、８００ナノ秒よりも良好に、７００ナノ秒よりも良好に、６００ナノ秒よりも良好に、５００ナノ秒よりも良好に、４００ナノ秒よりも良好に、３００ナノ秒よりも良好に、２００ナノ秒よりも良好に、または１００ナノ秒よりも良好に正確であり得る。

上記に議論される高ダイナミックレンジ電子顕微鏡検査方法およびシステムに関して、いくつかの事例では、開示される光学ＨＤＲ方法（およびそれらを実装するように構成されるシステム）は、入手されたデータを処理し、高ダイナミックレンジ回折パターン、画像、またはビデオデータを発生させるためのプロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法を含んでもよい。例えば、いくつかの事例では、プロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法は、（ｉ）未加工カメラ読出データを、個々の回折パターンまたは画像を含有するサブフレームにセグメント化し、（ｉｉ）偏向プロセスによって導入される歪曲を補正し、（ｉｉｉ）関連性がある一連／群のサブフレームをともに組み合わせてもよく、各一連は、それらの露出時間を除いて同じ測定パラメータを有する、２つ以上のサブフレームからのデータを含有し、向上したダイナミックレンジを有する、個々のパターンまたは画像を生成する。いくつかの事例では、これらの処理ステップは、画像データが入手されたものと同一のサンプルからの前処理された較正データを利用してもよい。いくつかの事例では、これらの処理ステップは、類似条件下で測定される異なるサンプルに関する前処理された較正データを利用してもよい。いくつかの事例では、プロセッサまたはコンピュータ実装アルゴリズムおよび方法は、（ｉ）異なる検出チャネル（例えば、異なるタイプの検出器からのデータセット）を組み合わせ、マルチモーダルデータセットを生成するステップ、（ｉｉ）サブフレームデータ自体内の一貫した特徴を識別することによって、サブフレームの整合を微調整するステップ、（ｉｉｉ）サブフレーム整合の微調整を使用し、測定の間のサンプルドリフトを補正するステップ、（ｉｖ）フィルタ処理し、測定中のサンプルもしくは物理的システム、検出器の特性、および／または光学系自体の予備知識を使用して、雑音を除去するステップ、ならびに／もしくは（ｖ）単一の読出サイクルの間に複数回露出された検出器アレイの領域からデータを推測するステップ等の付加的処理ステップを実施してもよい。

いくつかの事例では、高ダイナミックレンジ光学画像データの入手のための開示される方法は、細胞または他の顕微鏡的構造を撮像するための光学顕微鏡検査との関連で実装されてもよい。いくつかの事例では、高ダイナミックレンジ光学画像データの入手のための開示される方法は、移動する物体を撮像するための高速ビデオカメラとの関連で実装されてもよい。

ＨＦＲおよびＨＤＲシステムならびにシステムコンポーネント：一般に、本明細書に開示される高フレームレートおよび／または高ダイナミックレンジ電子顕微鏡検査データ（例えば、画像データならびに／もしくは回折データ）の入手のための電子顕微鏡システムは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）または走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、高速２次元電子偏向器、偏向器制御モジュール、２次元検出器もしくは検出器の２次元アレイ（いくつかの事例では、ＣＭＯＳカメラまたはローリングシャッタ読出モードを伴って構成される他の検出器を備え得る）、プロセッサもしくはコンピュータ、またはそれらの任意の組み合わせを備えてもよい。いくつかの事例では、開示される電子顕微鏡検査システムはさらに、（ｉ）単一の検出器または検出器アレイ読出サイクルの間に入手される複数の小領域もしくは個々の検出器データセットから高フレームレートビデオデータを組み立てるため、および／または（ｉｉ）複数の検出器小領域もしくは個々の検出器のそれぞれから入手されるデータを処理し、高ダイナミックレンジ画像をコンパイルするためのソフトウェアを備えてもよい。一般に、高フレームレートおよび／または高ダイナミックレンジ光学データ（例えば、画像データならびに／もしくは回折データ）の入手のための光学システムは、サンプルまたは物体によって透過、反射、もしくは散乱される光を収集し、それを２次元検出器または検出器アレイ上に結像するように構成される、光学システム、高速２次元光子偏向器、偏向器制御モジュール、２次元検出器もしくは検出器の２次元アレイ（いくつかの事例では、ＣＭＯＳカメラまたはローリングシャッタ読出モードを伴って構成される他の検出器を備え得る）、プロセッサもしくはコンピュータ、またはそれらの任意の組み合わせを備えてもよい。いくつかの事例では、開示される光学システムはさらに、（ｉ）単一の検出器または検出器アレイ読出サイクルの間に入手される複数の小領域もしくは個々の検出器データセットから高フレームレートビデオデータを組み立てるため、および／または（ｉｉ）複数の検出器小領域もしくは個々の検出器のそれぞれから入手されるデータを処理し、高ダイナミックレンジ画像をコンパイルするためのソフトウェアを備えてもよい。

２次元偏向器：開示される方法およびシステムで使用するための好適な２次元電子偏向器の実施例は、限定ではないが、２次元静電偏向器、２次元電磁偏向器、またはそれらの組み合わせを含む。開示されるシステムのいくつかの事例では、２つ以上の２次元静電および／または電磁偏向器は、３次元偏向能力を有する偏向システムを実装するように、組み合わせられてもよい。

開示される方法およびシステムで使用するための好適な２次元光子偏向器の実施例は、限定ではないが、回転ミラーのセット、回転プリズムのセット、線形経路に沿って平行移動するように構成されるミラーもしくはプリズム（例えば、電動ミラーもしくはプリズム）、またはそれらの組み合わせを含む。

偏向器制御モジュール：いくつかの事例では、開示されるシステムは、（ｉ）１つの小領域または検出器から別のものに偏向された電子もしくは光子を切り替えるための切替時間を制御する、（ｉｉ）１つ以上の小領域もしくは検出器を偏向された電子または光子に暴露するための滞留時間を制御する、（ｉｉｉ）偏向パターンを２次元検出器または検出器アレイのための読出信号もしくは読出サイクルと同期化する、および／または（ｉｖ）前述のパラメータのうちのいずれかを、別の実験パラメータ、例えば、サンプル上のプローブビームの位置付けのための制御信と同期化するように構成される、偏向器制御モジュールを備えてもよい。

検出器：開示される方法およびシステムで使用するための好適な検出器の実施例は、限定ではないが、電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサおよびカメラ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサおよびカメラ、電子直接検出（ＥＤＤ）画像センサおよびカメラ（すなわち、電子によって衝打されると光子を放出する層を含むように、または電子を直接検出するように修正された、ＣＣＤもしくはＣＭＯＳ画像センサ）、飛行時間（ＴｏＦ）画像センサおよびカメラ、暗視野ＳＴＥＭ検出器、ファラデーカップ、クワッドフォトダイオード、環状暗視野検出器、明視野検出器、汎用検出器、またはそれらの任意の組み合わせを含む。

例えば、検出器のアレイが使用される、いくつかの事例では、アレイの異なる検出器は、異なる電子または光子強度のために最適化される異なる読出モードおよび／または感度を有してもよい。いくつかの事例では、異なる検出器は、放射線損傷からの異なるレベルの保護を有してもよい。いくつかの事例では、異なる検出器は、例えば、回折パターンデータに存在する明るい中心スポットを選択的に閉塞するように、サンプルまたは物体と個々の検出器との間の経路内に設置される、異なる物体を有してもよい。いくつかの事例では、検出器のアレイ内の検出器のうちのいくつかは、アレイ内の他の検出器によって入手されるデータと定性的に異なる、診断、較正、または整合データを収集するように最適化されてもよい。

プロセッサおよびコンピュータ：いくつかの事例では、開示されるシステムは、単一の検出器または検出器のアレイの読出との高速２次元偏向器の制御および同期化、ならびに入手された画像データの記憶、処理、分析、および表示のために構成される、１つ以上のプロセッサ、コンピュータ、もしくはコンピュータシステムを備えてもよい。いくつかの事例では、１つ以上のプロセッサ、コンピュータ、およびコンピュータシステムは、他のシステム機能、および／または他のデータ入手、記憶、処理、分析、もしくは表示機能の制御のためにも構成されてもよい。

図１１は、本明細書の他の場所に説明される方法（例えば、高フレームレートおよび／または高ダイナミックレンジ電子顕微鏡検査データを入手するための方法）を実装するようにプログラムまたは別様に構成される、コンピュータシステム１１０１の概略図を提供する。コンピュータシステム１１０１は、例えば、回折パターンデータ、画像データ、またはそれらの任意の組み合わせの入手および処理等の開示される方法ならびにシステムの種々の側面を調整することができる。コンピュータシステム１１０１は、ローカルコンピュータシステム、ユーザの電子デバイス（例えば、スマートフォン、ラップトップ、またはデスクトップコンピュータ）、もしくは電子デバイスに対して遠隔に位置するコンピュータシステムと通信するユーザの電子デバイスを備えてもよい。コンピュータシステム１１０１は、古典後コンピュータシステム（例えば、量子コンピューティングシステム）であってもよい。

コンピュータシステム１１０１は、シングルコアまたはマルチコアプロセッサ、もしくは並列処理のための複数のプロセッサであり得る、中央処理ユニット（ＣＰＵ、本明細書では、「プロセッサ」および「コンピュータプロセッサ」とも称される）１１０５を含む。コンピュータシステム１１０１はまた、メモリまたはメモリ場所１１１０（例えば、ランダムアクセスメモリ、読取専用メモリ、フラッシュメモリ）と、電子記憶ユニット１１１５（例えば、ハードディスク）と、１つ以上の他のシステムと通信するための通信インターフェース１１２０（例えば、ネットワークアダプタ）と、キャッシュ、他のメモリ、データ記憶装置、および／または電子ディスプレイアダプタ等の周辺デバイス１１２５とを含む。メモリ１１１０、記憶ユニット１１１５、インターフェース１１２０、および周辺デバイス１１２５は、マザーボード等の通信バス（実線）を通してＣＰＵ１１０５と通信する。記憶ユニット１１１５は、データを記憶するためのデータ記憶ユニット（またはデータリポジトリ）であり得る。コンピュータシステム１１０１は、通信インターフェース１１２０を用いてコンピュータネットワーク（「ネットワーク」）１１３０に動作的に結合されることができる。ネットワーク１１３０は、インターネット、イントラネットおよび／またはエクストラネット、またはインターネットと通信するイントラネットならびに／もしくはエクストラネットであってもよい。ネットワーク１１３０は、ある場合には、電気通信および／またはデータネットワークである。ネットワーク１１３０は、クラウドコンピューティング等の分散コンピューティングを可能にし得る、１つ以上のコンピュータサーバを含むことができる。ネットワーク１１３０は、ある場合には、コンピュータシステム１１０１を用いて、コンピュータシステム１１０１に結合されるデバイスが、クライアントまたはサーバとして挙動することを可能にし得る、ピアツーピアネットワークを実装することができる。

ＣＰＵ１１０５は、プログラムまたはソフトウェアで具現化され得る、機械可読命令のシーケンスを実行するように構成される。命令は、メモリ１１１０等のメモリ場所内に記憶されてもよい。命令は、ＣＰＵ１１０５にダイレクトされることができ、これは、続いて、本開示の方法を実装するようにＣＰＵ１１０５をプログラムまたは別様に構成することができる。ＣＰＵ１１０５によって実施される動作の実施例は、フェッチ、デコード、実行、およびライトバックを含むことができる。

ＣＰＵ１１０５は、集積回路等の回路の一部であってもよい。システム１１０１の１つ以上の他のコンポーネントが、回路内に含まれてもよい。ある場合には、回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。

記憶ユニット１１１５は、ドライバ、ライブラリ、および保存されたプログラム等のファイルを記憶するように構成される。記憶ユニット１１１５は、ユーザデータ、例えば、ユーザ選好およびユーザプログラムを記憶してもよい。コンピュータシステム１１０１は、ある場合には、イントラネットまたはインターネットを通してコンピュータシステム１１０１と通信する遠隔サーバ上に位置するデータ記憶ユニット等のコンピュータシステム１１０１の外部にある１つ以上の付加的データ記憶ユニットを含むことができる。

コンピュータシステム１１０１は、ネットワーク１１３０を通して１つ以上の遠隔コンピュータシステムと通信してもよい。例えば、コンピュータシステム１１０１は、ユーザの遠隔コンピュータシステム（例えば、クラウドサーバ）と通信してもよい。遠隔コンピュータシステムの実施例は、パーソナルコンピュータ（例えば、デスクトップＰＣ）、ポータブルパーソナルコンピュータ（例えば、ラップトップまたはタブレットＰＣ）、スマートフォン（例えば、Ａｐｐｌｅ（登録商標） ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）、Ａｎｄｒｏｉｄ対応デバイス等）、もしくは携帯情報端末を含む。ユーザは、ネットワーク１１３０を介してコンピュータシステム１１０１にアクセスしてもよい。

ソフトウェアおよびアルゴリズム：上記に議論されるように、いくつかの事例では、開示されるシステムはさらに、（ｉ）単一の検出器または検出器アレイ読出サイクルの間に入手される複数の小領域もしくは個々の検出器データセットから高フレームレートビデオデータを組み立てるため、および／または（ｉｉ）複数の検出器小領域もしくは個々の検出器のそれぞれから入手されるデータを処理し、高ダイナミックレンジ画像をコンパイルするためのソフトウェアを備えてもよい。

いくつかの事例では、本明細書に説明される方法は、図１１に図示されるもの等のコンピュータシステムの電子記憶場所上（例えば、コンピュータシステム１１０１のメモリ１１１０または電子記憶ユニット１１１５内等）に記憶された機械（例えば、コンピュータプロセッサ）実行可能コードを用いて実装されてもよい。機械実行可能または機械可読コードは、ソフトウェアの形態で提供されることができる。使用の間に、コードは、プロセッサ１１０５によって実行されることができる。ある場合には、コードは、記憶ユニット１１１５から読み出され、プロセッサ１１０５による迅速なアクセスのためにメモリ１１１０上に記憶されることができる。いくつかの状況では、電子記憶ユニット１１１５は、除外されることができ、機械実行可能命令は、メモリ１１１０上に記憶される。

いくつかの事例では、コードは、事前コンパイルされ、コードを実行するように適合されるプロセッサを有する機械との併用のために構成されることができる。いくつかの事例では、コードは、ランタイムの間にコンパイルされてもよい。コードは、コードが事前コンパイルまたはアズコンパイルされた方式で実行されることを可能にするように選択され得る、プログラミング言語で供給されることができる。

コンピュータシステム１１０１等の本明細書に提供される方法およびシステムの側面は、プログラミングにおいて具現化されることができる。本技術の種々の側面は、典型的には、あるタイプの機械可読媒体上で搬送される、またはそれにおいて具現化される機械（またはプロセッサ）実行可能コードおよび／または関連付けられるデータの形態の「製品」もしくは「製造品」と考えられ得る。機械実行可能コードは、メモリ（例えば、読取専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、フラッシュメモリ）内またはハードディスク上等の電子記憶ユニット上に記憶されることができる。「記憶」タイプ媒体は、ソフトウェアプログラミングのために任意の時点で非一過性記憶を提供し得る、コンピュータシステム、コンピュータプロセッサ、または同等物の有形メモリ、もしくは種々の半導体メモリデバイス、テープドライブ、ディスクドライブ、光学ドライブ、および同等物等のその関連付けられるモジュールのうちのいずれかまたは全てを含むことができる。ソフトウェアの全てまたは一部は、随時、インターネットまたは種々の他の電気通信ネットワークを通して通信されてもよい。そのような通信は、例えば、１つのコンピュータまたはプロセッサから別のものへの、例えば、管理サーバまたはホストコンピュータからアプリケーションサーバのコンピュータプラットフォームへのソフトウェアのロードを可能にし得る。したがって、ソフトウェア要素を搭載し得る別のタイプの媒体は、ローカルデバイスの間の物理的インターフェースを横断して、有線および光学固定ネットワークを通して、および種々のエアリンクを経由して使用される等、光学、電気、および電磁波を含む。有線または無線リンク、光学リンク、もしくは同等物等のそのような波を搬送する物理的要素はまた、ソフトウェアを搭載する媒体と見なされ得る。本明細書に使用されるように、非一過性の有形「記憶」媒体に制限されない限り、コンピュータまたは機械「可読媒体」等の用語は、実行のためにプロセッサに命令を提供することに関与する任意の媒体を指す。

故に、コンピュータ実行可能コード等の可読媒体は、限定ではないが、有形記憶媒体、搬送波媒体、または物理的伝送媒体を含む、多くの形態をとってもよい。不揮発性記憶媒体は、例えば、データベースを実装するために使用され得る任意のコンピュータまたは同等物内の記憶デバイスのうちのいずれか等の光学もしくは磁気ディスクを含む。揮発性記憶媒体は、そのようなコンピュータプラットフォームのメインメモリ等のダイナミックメモリを含む。有形伝送媒体は、同軸ケーブル、すなわち、コンピュータシステム内のバスを備えるワイヤを含む、銅ワイヤおよび光ファイバを含む。搬送波伝送媒体は、電気または電磁信号、もしくは無線周波数（ＲＦ）および赤外線（ＩＲ）データ通信の間に発生されるもの等の音響または光波の形態をとってもよい。コンピュータ可読媒体の一般的な形態は、したがって、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、任意の他の磁気媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤまたはＤＶＤ－ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード紙テープ、孔のパターンを伴う任意の他の物理的記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭおよびＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ－ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップまたはカートリッジ、データもしくは命令を輸送する搬送波、そのような搬送波を輸送するケーブルまたはリンク、もしくはそれからコンピュータがプログラミングコードおよび／またはデータを読み取り得る任意の他の媒体を含む。コンピュータ可読媒体のこれらの形態の多くは、１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを実行のためにプロセッサに搬送することに関与し得る。

コンピュータシステム１１０１は、例えば、ユーザが命令を入力する、データをコンピュータデータベースにアップロードする、コンピュータデータベースからデータをダウンロードする等のためのインターフェースを提供するためのユーザインターフェース（ＵＩ）１１４０を備える、電子ディスプレイ１１３５を含む、またはそれと通信してもよい。ＵＩの実施例は、限定ではないが、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）およびウェブベースのユーザインターフェースを含む。

いくつかの事例では、本開示の方法およびシステムは、１つ以上のアルゴリズム、例えば、回折パターンデータ、画像データ、および同等物を入手および／または処理するための命令を備えるアルゴリズムの使用を通して、実装されてもよい。アルゴリズムは、中央処理ユニット１１０５による実行に応じて、ソフトウェアによって実装されることができる。

本発明の好ましい実施形態が、本明細書に示され、説明されているが、そのような実施形態は、一例としてのみ提供されることが当業者に明白であろう。多数の変形例、変更、および代用が、ここで、本発明から逸脱することなく、当業者に想起されるであろう。本明細書に説明される本発明の実施形態の種々の代替物が、本発明を実践する際に任意の組み合わせにおいて採用され得ることを理解されたい。以下の請求項は、本発明の範囲を定義し、これらの請求項の範囲内の方法および構造ならびにそれらの均等物は、それによって網羅されることが意図される。

Claims (75)

1. 透過型電子顕微鏡データを入手するための方法であって、前記方法は、
   ａ）サンプル面に位置付けられるサンプルによって透過または散乱される電子を偏向させるように構成される２次元偏向器を備える透過型電子顕微鏡を提供することであって、前記２次元偏向器は、前記サンプル面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、ことと、
   ｂ）前記偏向された電子が、前記２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される前記電子のパターンに対応するデータセットを捕捉することと、
   ｃ）前記２つ以上の小領域のそれぞれが、一連の反復検出器アレイ読出サイクルのそれぞれ内でデータセットを捕捉するように、前記偏向器制御信号の変調を検出器アレイ読出信号と同期化することと
   を含む、方法。
2. 透過型電子顕微鏡データを入手するための方法であって、前記方法は、
   ａ）サンプル面に位置付けられるサンプルによって透過または散乱される電子を偏向させるように構成される２次元偏向器を備える透過型電子顕微鏡を提供することであって、前記２次元偏向器は、前記サンプル面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、ことと、
   ｂ）前記偏向された電子が、前記２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される前記電子のパターンに対応するデータセットを捕捉することと
   を含み、
   前記２次元検出器アレイの２つ以上の小領域の感度、または電子を前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間は、個別に調節される、方法。
3. 画像データを入手するための方法であって、前記方法は、
   ａ）サンプル面または焦点面に位置付けられる物体によって透過、反射、または散乱される光子を偏向させるように構成される２次元偏向器を備える光学システムを提供することであって、前記２次元偏向器は、前記サンプル面または焦点面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、ことと、
   ｂ）前記偏向された光子が、前記２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される前記光子のパターンに対応するデータセットを捕捉することと、
   ｃ）前記２つ以上の小領域のそれぞれが、一連の反復検出器アレイ読出サイクルのそれぞれ内でデータセットを捕捉するように、前記偏向器制御信号の変調を検出器アレイ読出信号と同期化することと
   を含む、方法。
4. 画像データを入手するための方法であって、前記方法は、
   ａ）サンプル面または焦点面に位置付けられる物体によって透過、反射、または散乱される光子を偏向させるように構成される２次元偏向器を備える光学システムを提供することであって、前記２次元偏向器は、前記サンプル面または焦点面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、ことと、
   ｂ）前記偏向された光子が、前記２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される前記光子のパターンに対応するデータセットを捕捉することと
   を含み、
   前記２次元検出器アレイの２つ以上の小領域の感度、または光子を前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間は、個別に調節される、方法。
5. 前記２次元偏向器は、２次元静電偏向器である、請求項１または請求項２に記載の方法。
6. 前記２次元偏向器は、２次元電磁偏向器である、請求項１または請求項２に記載の方法。
7. 前記２次元偏向器は、可動ミラーまたはプリズムである、請求項３または請求項４に記載の方法。
8. 前記２つ以上の小領域は、単一の２次元検出器の小領域を備える、請求項１－７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記２つ以上の小領域は、２次元検出器アレイ内の異なる検出器を備える、請求項１－７のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記２次元検出器アレイは、電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサ、電子直接検出（ＥＤＤ）カメラ、または飛行時間（ＴｏＦ）画像センサを備え、前記偏向器制御信号の変調は、偏向された電子または光子が、アクティブに読み出されていない小領域に指向されるように、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＥＤＤ、またはＴｏＦカメラのためのローリングシャッタ同期化信号と同期化される、請求項１、３、５、６、７、または８のいずれか１項に記載の方法。
11. データ入手のためのデューティサイクルは、前記データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９０％である、請求項１０に記載の方法。
12. データ入手のためのデューティサイクルは、前記データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９５％である、請求項１０に記載の方法。
13. データ入手のためのデューティサイクルは、前記データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９８％である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記２つ以上の小領域のそれぞれによって捕捉される前記データセットは、画像または回折データのフレームを備える、請求項１０－１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記２つ以上の小領域のための前記画像または回折データを処理し、前記ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのための読出レートよりも速いフレームレートを備えるビデオデータを生成することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ビデオデータセットのフレームレートは、前記ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラの読出レートよりも少なくとも４倍速い、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ビデオデータセットのフレームレートは、前記ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラの読出レートよりも少なくとも８倍速い、請求項１５に記載の方法。
18. 前記ビデオデータセットのフレームレートは、前記ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラの読出レートよりも少なくとも１６倍速い、請求項１５に記載の方法。
19. 前記ビデオデータセットのフレームレートは、前記ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラの読出レートよりも少なくとも３２倍速い、請求項１５に記載の方法。
20. 前記２次元偏向器のための切替時間は、１０マイクロ秒未満である、請求項１－１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記２次元偏向器のための切替時間は、１マイクロ秒未満である、請求項１－１９のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記２次元偏向器のための切替時間は、１００ナノ秒未満である、請求項１－１９のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記２次元偏向器のための切替時間は、１０ナノ秒未満である、請求項１－１９のいずれか１項に記載の方法。
24. 前記偏向器制御信号は、電子または光子を前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間が同一であるように変調される、請求項１－２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記偏向器制御信号は、電子または光子を前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間が前記２つ以上の小領域のうちの少なくとも１つに関して異なるように変調される、請求項１－２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 電子または光子を前記２つ以上の小領域に偏向させるための滞留時間は、約１マイクロ秒～約１００ミリ秒に及ぶ、請求項１－２５のいずれか１項に記載の方法。
27. 前記偏向器制御信号は、電子または光子を前記２つ以上の小領域のうちの少なくとも１つに偏向させるための滞留時間がゼロであるように変調され、前記少なくとも１つの小領域によって捕捉される前記データセットは、暗電流データセットを備える、請求項１－２６のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記２つ以上の２次元小領域によって捕捉される各データセットは、画像または回折データを備え、前記２次元検出器アレイのものよりも高いダイナミックレンジを有する画像または回折データの単一のフレームを提供するように、さらに処理される、請求項２、４、２５、２６、または２７のいずれか１項に記載の方法。
29. 前記２次元検出器アレイの２つ以上の小領域はそれぞれ、個々の検出器を備える、請求項１－２８のいずれか１項に記載の方法。
30. 前記２つ以上の個々の検出器のそれぞれの感度、または前記２つ以上の個々の検出器の各々に対する飽和レベルは、個別に調節される、請求項２９に記載の方法。
31. 前記２つ以上の個々の検出器の感度は、電子的に調節される、請求項３０に記載の方法。
32. 前記２つ以上の個々の検出器の感度は、空間フィルタリングまたはマスキングによって調節される、請求項３０に記載の方法。
33. 前記２つ以上の個々の検出器は、異なる機能性または異なる性能仕様を備える２つ以上の検出器を備える、請求項２９－３２のいずれか１項に記載の方法。
34. 前記２つ以上の検出器は、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、暗視野ＳＴＥＭ検出器、ファラデーカップ、クワッドフォトダイオード、環状暗視野検出器、明視野検出器、汎用検出器、またはそれらの任意の組み合わせを備える、請求項３３に記載の方法。
35. 前記２つ以上の個々の検出器のうちの少なくとも１つは、前記サンプル面または焦点面から異なる距離に位置付けられる、請求項２８－３４のいずれか１項に記載の方法。
36. 前記２つ以上の検出器によって捕捉される前記データセットは、画像データ、電子ビーム電流データ、電子ビーム整合データ、セグメント化された暗視野データ、またはそれらの任意の組み合わせを備えるマルチモーダルデータセットを生成するようにコンパイルされる、請求項３３－３５のいずれか１項に記載の方法。
37. 前記２つ以上の小領域によって捕捉される前記データセットは、前記偏向ステップによって導入される歪曲を補正するように処理される、請求項１－３６のいずれか１項に記載の方法。
38. 透過型電子顕微鏡検査データを入手するためのシステムであって、前記システムは、
    ａ）透過型電子顕微鏡と、
    ｂ）サンプルによって透過または散乱される電子を偏向させるように構成される２次元偏向器であって、前記２次元偏向器は、前記透過型電子顕微鏡内でサンプル面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、２次元偏向器と、
    ｃ）偏向器制御システムであって、前記偏向器制御システムは、前記偏向された電子が、前記２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される電子のパターンに対応するデータセットを捕捉するように構成される、偏向器制御システムと
    を備え、
    前記偏向器制御信号は、前記２つ以上の２次元小領域がそれぞれ、一連の反復検出器アレイ読出サイクルのそれぞれ内でデータセットを捕捉するように、検出器アレイ読出信号と同期化される、システム。
39. 透過型電子顕微鏡検査データを入手するためのシステムであって、前記システムは、
    ａ）透過型電子顕微鏡と、
    ｂ）サンプルによって透過または散乱される電子を偏向させるように構成される２次元偏向器であって、前記２次元偏向器は、前記透過型電子顕微鏡内でサンプル面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、２次元偏向器と、
    ｃ）偏向器制御システムであって、前記偏向器制御システムは、前記偏向された電子が、前記２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される電子のパターンに対応するデータセットを捕捉するように構成される、偏向器制御システムと
    を備え、
    前記２次元検出器アレイの２つ以上の小領域の感度、または電子を前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間は、個別に調節可能である、システム。
40. 画像データを入手するためのシステムであって、前記システムは、
    ａ）サンプル面または焦点面に位置付けられる物体によって透過、反射、または散乱される光子を偏向させるように構成される２次元偏向器を備える光学システムであって、前記２次元偏向器は、前記サンプル面または焦点面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、光学システムと、
    ｂ）偏向器制御システムであって、前記偏向器制御システムは、前記偏向された光子が、前記２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される前記光子のパターンに対応するデータセットを捕捉するように構成される、偏向器制御システムと
    を備え、
    前記偏向器制御信号は、前記２つ以上の小領域のそれぞれが、一連の反復検出器アレイ読出サイクルのそれぞれ内でデータセットを捕捉するように、検出器アレイ読出信号と同期化される、システム。
41. 画像データを入手するためのシステムであって、前記システムは、
    ａ）サンプル面または焦点面に位置付けられる物体によって透過、反射、または散乱される光子を偏向させるように構成される２次元偏向器を備える光学システムであって、前記２次元偏向器は、前記サンプル面または焦点面と２次元検出器アレイとの間に位置付けられる、光学システムと、
    ｂ）偏向器制御システムであって、前記偏向器制御システムは、前記偏向された光子が、前記２次元検出器アレイの一連の２つ以上の小領域に順次偏向されるように、偏向器制御信号を変調させ、それによって、前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向される前記光子のパターンに対応するデータセットを捕捉するように構成される、偏向器制御システムと
    を備え、
    前記２次元検出器アレイの２つ以上の小領域の感度、または光子を前記２つ以上の小領域のそれぞれに偏向させるための滞留時間は、個別に調節可能である、システム。
42. 前記２つ以上の小領域によって捕捉される前記データセットを収集および分析するように構成されるプロセッサをさらに備える、請求項３９－４１のいずれか１項に記載のシステム。
43. 前記２次元偏向器は、２次元静電偏向器である、請求項３８または請求項３９のいずれか１項に記載のシステム。
44. 前記２次元偏向器は、２次元電磁偏向器である、請求項３８または請求項３９のいずれか１項に記載のシステム。
45. 前記２次元偏向器は、可動ミラーまたはプリズムである、請求項４０または請求項４１のいずれか１項に記載のシステム。
46. 前記２つ以上の小領域は、単一の２次元検出器の小領域を備える、請求項３９－４５のいずれか１項に記載のシステム。
47. 前記２つ以上の小領域は、２次元検出器アレイ内の異なる検出器を備える、請求項３９－４５のいずれか１項に記載のシステム。
48. 前記２次元検出器アレイは、電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサ、電子直接検出（ＥＤＤ）画像センサ、または飛行時間（ＴｏＦ）画像センサを備え、前記偏向器制御信号の変調は、偏向された電子または光子が、アクティブに読み出されていない小領域に指向されるように、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＥＤＤ、またはＴｏＦカメラのためのローリングシャッタ同期化信号と同期化される、請求項３８、４０、４２、４３、４４、４５、または４６のいずれか１項に記載のシステム。
49. データ入手のためのデューティサイクルは、前記データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９０％である、請求項４８に記載のシステム。
50. データ入手のためのデューティサイクルは、前記データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９５％である、請求項４８に記載のシステム。
51. データ入手のためのデューティサイクルは、前記データの時間的歪曲を負うことなく、少なくとも９８％である、請求項４８に記載のシステム。
52. 前記２つ以上の小領域によって捕捉される各データセットは、画像または回折データの単一のフレームを備える、請求項４８－５１のいずれか１項に記載のシステム。
53. 前記２つ以上の小領域のための前記画像または回折データは、前記ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのための読出レートよりも速いフレームレートを備えるビデオデータセットを生成するように処理される、請求項５２に記載のシステム。
54. 前記ビデオデータセットのフレームレートは、前記ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのフレームレートよりも少なくとも４倍速い、請求項５３に記載のシステム。
55. 前記ビデオデータセットのフレームレートは、前記ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのフレームレートよりも少なくとも８倍速い、請求項５３に記載のシステム。
56. 前記ビデオデータセットのフレームレートは、前記ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのフレームレートよりも少なくとも１６倍速い、請求項５３に記載のシステム。
57. 前記ビデオデータセットのフレームレートは、前記ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＴｏＦカメラのフレームレートよりも少なくとも３２倍速い、請求項５３に記載のシステム。
58. 前記２次元偏向器のための切替時間は、１０マイクロ秒未満である、請求項３８－５７のいずれか１項に記載のシステム。
59. 前記２次元偏向器のための切替時間は、１マイクロ秒未満である、請求項３８－５７のいずれか１項に記載のシステム。
60. 前記２次元偏向器のための切替時間は、１００ナノ秒未満である、請求項３８－５７のいずれか１項に記載のシステム。
61. 前記２次元偏向器のための切替時間は、１０ナノ秒未満である、請求項３８－５７のいずれか１項に記載のシステム。
62. 前記偏向器制御信号は、前記２つ以上の小領域のそれぞれにおける前記偏向された電子または光子のための滞留時間が同一であるように変調される、請求項３８－６１のいずれか１項に記載のシステム。
63. 前記偏向器制御信号は、前記２つ以上の小領域のそれぞれにおける前記偏向された電子または光子のための滞留時間が前記２つ以上の小領域のうちの少なくとも１つに関して異なるように変調される、請求項３８－６１のいずれか１項に記載のシステム。
64. 電子または光子を前記２つ以上の小領域に偏向させるための滞留時間は、約１マイクロ秒～約１００ミリ秒に及ぶ、請求項３８－６３のいずれか１項に記載のシステム。
65. 前記偏向器制御信号は、電子または光子を前記２つ以上の小領域のうちの少なくとも１つに偏向させるための滞留時間がゼロであるように変調され、前記少なくとも１つの小領域によって捕捉される前記データセットは、暗電流データセットを備える、請求項３８－６４のいずれか１項に記載のシステム。
66. 前記２つ以上の小領域によって捕捉される各データセットは、画像または回折データを備え、前記２次元検出器アレイのものよりも高いダイナミックレンジを有する画像または回折データの単一のフレームを提供するようにさらに処理される、請求項３９、４１、６３、６４、または６５のいずれか１項に記載のシステム。
67. 前記２次元検出器アレイの２つ以上の小領域はそれぞれ、個々の検出器を備える、請求項３８－６６のいずれか１項に記載のシステム。
68. 前記２つ以上の個々の検出器のそれぞれの感度、または前記２つ以上の個々の検出器の各々に対する飽和レベルは、個別に調節可能である、請求項６７に記載のシステム。
69. 前記２つ以上の個々の検出器の感度は、電子的に調節される、請求項６８に記載のシステム。
70. 前記２つ以上の個々の検出器の感度は、空間フィルタリングまたはマスキングによって調節される、請求項６８に記載のシステム。
71. 前記２つ以上の個々の検出器は、異なる機能性または異なる性能仕様を備える、２つ以上の検出器を備える、請求項６７－７０のいずれか１項に記載のシステム。
72. 前記２つ以上の異なる検出器は、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、暗視野ＳＴＥＭ検出器、ファラデーカップ、クワッドフォトダイオード、環状暗視野検出器、明視野検出器、汎用検出器、またはそれらの任意の組み合わせを備える、請求項７１に記載のシステム。
73. 前記２つ以上の個々の検出器のうちの少なくとも１つは、前記サンプル面または焦点面から異なる距離に位置付けられる、請求項６７－７２のいずれか１項に記載のシステム。
74. 前記２つ以上の検出器によって捕捉される前記データセットは、画像データ、電子ビーム電流データ、電子ビーム整合データ、セグメント化された暗視野データ、またはそれらの任意の組み合わせを備えるマルチモーダルデータセットを生成するようにコンパイルされる、請求項７１－７２のいずれか１項に記載のシステム。
75. 前記２つ以上の小領域によって捕捉される前記データセットは、前記偏向ステップによって導入される歪曲を補正するように処理される、請求項３８－７３のいずれか１項に記載のシステム。

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