マルチビーム型の電子顕微鏡手法を新たに開発 -少ない測定点から高精細像を短時間で構成することが可能-

2026-04-08 東京科学大学

東京科学大学、日本電子、東京大学の研究チームは、マルチビーム電子顕微鏡と圧縮センシングを融合した新たな観察手法を開発した。従来は1点ずつ走査していた電子顕微鏡に対し、本手法では複数ビームを同時照射し、少ない測定点から高精細画像を再構成することで、測定時間の大幅短縮と低線量化を実現した。実験ではサンプリング密度を1/4~1/10に削減しても高解像度像の再生に成功し、電子線に弱い材料の観察や高速分析に有効であることが示された。さらにEDSやEELSなどの分析手法にも応用可能で、材料科学や半導体研究の高度化に貢献すると期待される。本成果はUltramicroscopyに掲載された。

マルチビーム型の電子顕微鏡手法を新たに開発 -少ない測定点から高精細像を短時間で構成することが可能-
図1. マルチビームを用いた走査透過電子顕微鏡法の模式図

<関連情報>

圧縮型マルチビーム走査透過型電子顕微鏡 Compressive multi-beam scanning transmission electron microscopy

Akira Yasuhara, Takumi Sannomiya, Ryoichi Horisaki
Ultramicroscopy  Available online: 15 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2026.114353

Highlights

  • Multi-beam STEM bright-field imaging is combined with down-sampling and super-resolution reconstruction using a compressive sensing framework.
  • A custom condenser aperture with randomly distributed holes generates multibeam probes, with defocus control enabling tunable beam distribution.
  • Adam optimization with total variation normalization recovers high-quality sample structures from significantly down-sampled data.
  • Image quality improves when beam spots are more widely separated, emphasizing the importance of frequency sampling in sparse reconstruction.
  • The bucket-detection approach is directly applicable to analytical STEM and SEM techniques such as EDS, EELS, and CL, offering substantial acceleration of data acquisition.

Abstract

We demonstrate a multi-beam scanning transmission electron microscopy (STEM) imaging that integrates down-sampling with super-resolution image reconstruction via a compressive sensing framework. A custom condenser aperture with six randomly positioned circular holes is employed to produce a multi-beam STEM probe, with the beam shape and distribution tuned through defocus. While the raw multi-beam images exhibit overlapping patterns, reconstruction using Adam optimization and total variation normalization yields high-fidelity images that closely reproduce the original sample structures, even from substantially down-sampled data. The proposed approach offers a pathway toward significant acceleration of such techniques through multibeam sparse sampling and computational reconstruction potentially useful for the analytical scanning methods in general.

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