计算镜头从一张2D显微照片中揭示隐藏的3D信息

新加坡国立大学（NUS）的物理学家开发了一种计算成像技术，从单个二维（2D）电子显微照片中提取三维（3D）信息。这种方法可以很容易地在大多数透射电子显微镜（TEM）中实现，使其成为以纳米级3D分辨率（约10nm）快速成像大面积的可行工具

了解结构-功能关系对于纳米技术研究至关重要，包括制造复杂的3D纳米结构、观察纳米级反应和检查自然界中的自组装3D纳米结构。然而，目前大多数结构见解仅限于2D。这是因为没有纳米级的快速、易于访问的3D成像工具，需要专门的仪器或同步加速器等大型设施

新加坡国立大学的一个研究小组通过设计一种计算方案来解决这一挑战，该方案利用电子-物质相互作用的物理原理和已知的材料先验来确定样本局部区域的深度和厚度。类似于弹出式书籍如何将平面页面变成三维场景，这种方法使用局部深度和厚度值来创建样本的3D重建，可以提供前所未有的结构见解。研究结果发表在《通讯物理学》杂志上

在新加坡国立大学物理与生物科学系助理教授陆教授的带领下，研究小组发现TEM显微照片中的斑点包含了样本深度的信息。他们解释了为什么TEM显微照片的局部散焦值指向样本质心的数学原理。

导出的方程表明，单个2D显微照片传递3D信息的能力有限。因此，如果试样较厚，则更难准确确定其深度

作者改进了他们的方法，表明这种弹出式计量技术可以同时应用于具有一些额外先验的多个样品层。这一进步为复杂多层样品的快速3D成像打开了大门

这项研究继续了团队正在进行的机器学习与电子显微镜的集成，以创建用于成像纳米级不可见动力学的计算透镜

第一作者Deepan Balakrishnan博士说：“我们的工作展示了TEMs单次3D成像的理论框架。我们正在使用基于物理的机器学习模型开发一种通用方法，该模型学习材料先验，并为任何2D投影提供3D起伏。”

该团队还设想将TEMs之外的弹出计量公式进一步推广到光学厚样品（即X射线、电子、可见光光子等）的任何相干成像系统