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本文1467字，阅读约需4分钟

摘要：研究小组使用在扫描透射电子显微镜中同时照射多束光线的方法，以较少的扫描像素实现了高分辨率图像的重建，即使大幅减少了采样点数，仍然成功实现了金纳米粒子的图像重建；即使在1/4至1/10左右的采样密度下，结构仍能被还原，表明该方法可同时实现测量时间的缩短和电子束照射量的减少。

关键词：扫描透射电子显微镜、多光束、纳米结构、图像重建、高速成像

要点

一种融合多光束电子显微镜与压缩传感技术的新型显微观察方法
可实现高速、低剂量的观测，有助于对电子束敏感的材料及分析测量
有望应用于EDS、EELS、CL等分析系统，推动电子显微镜测量的高速化

概要

研究小组使用在扫描透射电子显微镜中同时照射多束光线的方法，以较少的扫描像素实现了高分辨率图像的重建。

传统的扫描透射电子显微镜需要逐点扫描，存在成像速度慢的问题。此外，由于电子束会对样品造成损伤，因此测量对象受到限制。

本研究中，研究小组构建了一种通过多孔光阑生成多束光线的新型装置，并利用压缩传感方法，将所获得的重叠图像进行超高分辨率的图像重建。该技术不仅适用于结构观察，尤其在需要长时间成像的各种分析测量中也可以发挥用处，有望成为推动电子显微镜测量高速化和低剂量化的新型基础技术。

背景

扫描透射电子显微镜是一种能够在原子尺度上观察物质结构、组成和电子状态的强力仪器，在材料科学和半导体研究等广泛领域已成为不可或缺的工具。然而，其基本原理是利用微小的电子束在样品表面进行逐点扫描，因此要获得高分辨率图像，需要高密度的采样和较长的测量时间。这不仅导致测量耗时长，电子束对测量样品造成的损伤也成为问题，特别在观察有机材料或纳米结构时，对分析时长存在限制。针对这一课题，虽然提出了利用相干电波干涉的电子束叠层成像术等方法，但是这些方法不适用于检测电子束激发的X射线、可见光或非弹性散射电子的元素分析和状态分析。

在这样的背景下，需要开发一种通过更简便的检测系统，同时实现高速化和低剂量化的新型电子显微镜成像技术。

研究成果

本研究开发了一种新型扫描透射电子显微镜技术，结合了同时生成多个电子光束的多光束照射、和基于压缩传感的图像重建方法。具体而言，通过使用具有随机排列多个开口的光阑来形成多光束探针，并利用散焦控制调节光束分布，在样品上施加结构化照明，同时采用比以往方法更稀疏的采样方式获取数据（图1）。

图1. 使用多光束的扫描透射电子显微镜法示意图

获得的信号以多个（多束）光束的叠加形式（低分辨率多重图像）被观测到，通过利用已知的探针形状，并将其作为包含全变分正则化的优化问题进行重建，证实可以恢复出高分辨率的图像。

在实验中，即使大幅减少了采样点数，仍然成功实现了金纳米粒子的图像重建（图2）。即使在1/4至1/10左右的采样密度下，结构仍能被还原，表明该方法可同时实现测量时间的缩短和电子束照射量的减少。此外，由于该方法的原理是不对检测信号进行空间分解，仅测量信号总量的检测方式（即“桶式检测”），因此除了可用于结构成像外，还可广泛应用于各种分析映射，这是其一大特征。

图2. 使用多束光进行金纳米粒子图像重建的示例

研究意义

本研究表明，电子显微镜观察中“高分辨率、高速度、低剂量”之间的权衡关系有望得到巨大缓解。特别是对于对电子束敏感的材料或动态现象的观测，将有助于实现此前难以进行的测量。此外，该技术还可应用于X射线能谱分析（EDS）、电子能量损失谱（EELS）和阴极发光（CL）等分析方法，从而实现材料化学状态和电子状态的高速成像，有望促进半导体开发及能源材料研究的进一步深化。

未来的发展方向

通过优化光束配置、散焦偏差，以及与动态光束形状控制技术的整合，有望进一步提升性能。此外，通过在高倍率、原子级分辨率领域的应用，并建立实时重构技术，有望推动其发展成为下一代电子显微镜的基础技术。

https://www.isct.ac.jp/ja/news/repj9l2p3kke#top

https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2026.114353

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