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Sandbox Physics

E20 · 连续体积电子显微

FIB-SEM：从切片到体积

交替进行离子铣削与 BSE 成像。调节层间距、停留、漂移和帘幕伪影，再配准和分割存储计数，重建标定体积。

交互模型FIB-SEM：从切片到体积
与已知采样输入的重叠度—\text{—}
相对已知输入的体积误差—\text{—}
计数分割体积—\text{—}
已知采样输入体积—\text{—}
中心像素平均计数—\text{—}
记录深度覆盖—\text{—}
层厚与横向间隔比—\text{—}
所选暴露面深度—\text{—}
切片位置总数—\text{—}
所选图像状态—\text{—}
各新面的入射剂量总和—\text{—}
实验目标—\text{—}

物理教程

FIB-SEM：从切片到体积

背景交替进行离子铣削与 BSE 成像。调节层间距、停留、漂移和帘幕伪影，再配准和分割存储计数，重建标定体积。

为什么值得理解目标：与已知采样输入的重叠度至少百分之八十，体积误差不超过百分之十二，记录深度覆盖至少百分之九十五，中心像素平均至少 12 个计数。启用真实深度间隔。层厚不超过 25 纳米。

先抓重点

核心问题
清晰的切片，何时会重建出错误体积？
一句话直觉
清晰图像证明横向对比，不证明深度采样完整。配准可校正测得的漂移，却不能恢复已毁损或缺失的切片。正确体素间隔与分割同样重要。

核心数学模型

电子计数预算

N0=ηIτeN_0=\eta\frac{I\tau}{e}

入射电流和停留时间设定计数尺度，所选 BSE 响应乘这一预算。

深度采样

T=∑j=03wjρjρj=ρ(x,y,zj)zj=z+(j+12)ℓwj=e−j−e−j−11−e−4\begin{aligned}\mathcal T&=\sum_{j=0}^{3}w_j\rho_j\\\rho_j&=\rho(x,y,z_j)\\z_j&=z+(j+\tfrac12)\ell\\w_j&=\frac{e^{-j}-e^{-j-1}}{1-e^{-4}}\end{aligned}

单侧指数信息深度核的指定有限求积，不是电子输运。

计数导出的体积

V^=p2∑khk∑x,yM^k(x,y)IoU=∣M^∩M∗∣∣M^∪M∗∣\begin{aligned}\widehat V&=p^2\sum_k h_k\sum_{x,y}\widehat M_k(x,y)\\\mathrm{IoU}&=\frac{|\widehat M\cap M_*|}{|\widehat M\cup M_*|}\end{aligned}

阈值掩膜使用采集计数。薄层采用真实厚度，包含最后一个不完整层。未知体素不补造物体体积；已知输入重叠度是独立核验。

常见难点

重建不是已知输入

容易误解参考形状证明算法恢复了它。

正确理解金色参考仅用于独立核验。青色重建来自采集计数的阈值分割，保留噪声、损伤与缺口。

小体素不产生分辨率

容易误解把体素各边都设为 25 纳米，就能恢复各向同性信息。

正确理解改变元数据会扭曲形状及体积，却不增加测得的细节。应使用真实层间距。

动手实验

  1. 01

    预测隐藏误差

    比较粗切片和分辨体积预设。观察块面图像、正交重切片及已知输入。

    应该观察到： 横向清晰不能恢复切削间的结构。
  2. 02

    处理同次采集

    使用漂移预设，再启用计数标记配准。改变阈值及体素标定。

    应该观察到： 这些处理控制复用存储计数数组；重建改变不代表重新采集。
  3. 03

    检查真实缺失层

    选择缺失切片，并选第五个存储位置。观察暗色图像格与未知重切片行。

    应该观察到： 缺失层不是样品中的空白区域。
  4. 04

    达到目标

    降低层厚和伪影，增加停留以取得足够计数，配准测得的标记并启用真实间隔。核对目标。

    应该观察到： 目标检查重叠度、体积误差、深度覆盖及计数预算。