Visión por computador para imágenes a nanoescala

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microscopio tron scanningelectronmicroscopeandthetransmissionelec-. Sin embargo, algunos de los enfoques que se discuten en este documento también se puede aplicar a objetos de mayor escala. Por ejemplo, óptica y microscopía de fluorescencia copia representan otros dos campos con un montón de aplicaciones para los algoritmos de visión por computador. Sin embargo, estos métodos no se discutirán en este trabajo, ya que el resolu- ción del microscopio fluorescente es lo mismo que sus contrapartes ópticas. Microcopy fluorescente permite la caracterización de en-vivo especímenes biológicos que pueden ser procesados [77], reconstruido en 3D [69], y el seguimiento [7,9]. El resto de este trabajo está organizado de la siguiente manera. Section2reviewsthemostcommonimaginginstruments utilizados para la caracterización de los objetos a escala nanométrica. Sección 3 proporciona una taxonomía de los métodos. Concluimos en la Secc. 4 resumiendo unas cuantas direcciones para la futura investigación de la visión ordenador de esta nueva y excitante campo de la aplicación. Como en cualquier nueva área de investigación, hay un gran número de problemas que deben abordarse.

2 dispositivos de imagen a nanoescala

Inthissection, weprovideabriefdescriptionofthemost dispositivos de imagen a nanoescala de uso común. Para el desarrollo de algoritmos de análisis de imagen eficaces es importante para comprender los principios básicos detrás de la imagen de la formationforeachinstrument.Amoredetaileddescrip- de la óptica y los principios físicos utilizados en la microscopía de electrones se pueden encontrar en [29,32,87] . Imágenes a nanoescala se obtienen a menudo mediante la medición del nivel de energía producida por la interacción de los electrones en la superficie de la muestra con un haz de electrones emitidos por el microscopio. Esta es la esencia básica de los dispositivos de formación de imágenes tales como la microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Imágenes en la nanoescala se obtienen también mediante la medición de la fuerza de reacción resultante de la interacción de una sonda de lápiz óptico como mecánico escala nano con la superficie de la muestra. Microscopía de fuerza atómica (AFM) es un ejemplo de tal técnica. En la fig. 1 se ilustra el rango de la visualiza- para los principales microscopios disponibles en la actualidad, junto con ejemplos de estructuras que se visualizan en esas escalas. Para fines de comparación, la cifra también incluye ejemplos de la gama resolución alcanzada por microscopía de luz. En este trabajo, nos centramos en las imágenes producidas por microscopia de electrones (es decir, TEM [87], AFM [50] y SEM [29, 87]), ya que son los principales dispositivos de visualización utilizados en la caracterización actual de la nanotecnología. La figura 2 muestra ejemplos de las imágenes tomadas con los tres tipos de microscopios. A continuación se describen brevemente cada uno de ellos.

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Higo. Escala 1 Visualización de dispositivos de imagen a nanoescala y ejemplos visualizados a escalas mercantiles (Adaptado de [25])

Higo. 2 imágenes microscopio electrónico. una imagen SEM de un grano de polen. b imagen TEM de un nanotubo. c imagen AFM de la superficie de la célula viva (Imagen a partir de [34])

Scanningelectronmicroscopy Scanningelectronmi- croscopies construir una imagen de un objeto mediante la detección de electrones resultantes de la interacción de un barrido del haz de electrones enfocado con la superficie del objeto que operan en alto vacío. Las muestras de la materialarerequiredtobeconductive analizado, ples asinsulatedsam- producirán imágenes distorsionadas. Como resultado de ello, las muestras se recubren a menudo con una capa delgada de metal (por ejemplo, recubrimiento de oro). El límite de resolución depende principalmente de la viga y el tamaño del punto puede ser tan pequeño como 1 nm. Un problema de imagen común en SEM es la posible reacción de thegaswiththebeamspotduetopossibleresidualsfrom gas diluido que queda en suspensión dentro de la cámara de SEM. Esta reacción limita considerablemente el tiempo de formación de imágenes para los objetos a nanoescala verdaderos y a menudo causa una sección de formación de imágenes SEM para producir una única imagen con ruido del objeto observado. La Figura 2a muestra un ejemplo de una imagen de SEM de un grano de polen. Imágenes SEM son proyecciones 2D de los especímenes 3D fotografiado. La intensidad de píxel resultante obedece aproximadamente a la inversa de la ley de Lam- Bert [52], que establece que el ángulo sólido de reflujo por unidad dejando una superficie en cualquier dirección es proporcional al coseno del ángulo entre la dirección y la normal a la superficie [41].

Transmissionelectronmicroscopy Transmissionelec- microscopía tron puede ser considerado como el más poderoso y verdaderamente atómica método de imagen de resolución disponible en la actualidad. Se diferencia de SEM por su sofisticada óptica y un muy pequeño haz de energía de alta energía de electrones que pasa a través de la muestra. Se requiere Transmitancia aunque las muestras de modo que el microscopio puede lograr la visualización en el nivel atómico. Cuando se compara con imágenes en escala ópticos convencionales, microscopía de transmisión copiar imágenes pueden tener considerablemente bajo contraste y extremadamente bajas relaciones señal a ruido (SNR). Estos son los principales problemas para la caracterización de la superficie de los verdaderos especímenes nanoescala. El proceso de formación de imágenes puede ser lento y tedioso resultados de sintonización manual en un número limitado de imágenes de cada muestra. En la fig. 2b, un nanotubo de carbono se forma la imagen utilizando TEM junto con unas pocas partículas individuales. Microscopía de Fuerza Atómica Este microscopio sigue lometers ros-theprincipleoftraditionalstylus basedmechanicalpro [50]. Se utiliza un voladizo micro-punta afilada montado en una punta de sonda del microscopio. La punta de la sonda explora la superficie del objeto de la muestra y un láser beammeasurestheprobe'sde fl ections.AFMimagesare

150 E. Ribeiro, M. Shah

Tabla 1 instrumentos de imagen a nanoescala de tipos de datos de instrumentos de resolución típica Puntos clave

Las muestras no metálicas SEM 2D 3-7nm requieren metálica pulverización catódica Inverse Lambertiana reflectancia

Preparación de muestras