ZEISS Xradia CrystalCT

結晶粒イメージングマイクロCTシステムを初めて市販化

ZEISS Xradia CrystalCTは、結晶構造と形態を同時に解き明かす革新的なマイクロCTです。高度なコンピューター断層撮影技術に加えて、結晶粒の微細構造を明らかにする性能が強化されたことにより、多結晶材料(金属、積層造形、セラミックスなど)の研究方法が一変し、材料研究に新たな深い知見をもたらします。

製品イメージZEISS Xradia CrystalCT
  • 3Dで粒子形態の非破壊マッピングを実行
  • 金属、合金、セラミックスなどの材料の特性評価
  • ボリュームの大きい多様な形状の試料をハイスループットでマッピング
  • 革新的な回折スキャンモードによる高度な材料特性評価と発見
  • 優れた試料代表性の実現および忠実な計算モデルの作成

特長

DCTによる投影形状概略図
CrystalCTによる投影形状の概念図。CrystalCTでは、吸収コントラストトモグラフィー(ACT)および回折コントラストトモグラフィーの両方が利用可能です。

研究の可能性を拡げるDCT

ZEISS研究用顕微鏡ソリューションとXnovo Technologyとのパートナー連携により、画期的な研究室用回折コントラストトモグラフィー(DCT)技術を搭載したZEISS Xradia CrystalCTが誕生しました。マイクロCTのDCTにより、3D結晶粒マッピングを用いて、様々な金属、鉱物、セラミックス、半導体および医薬品試料などの単相の多結晶物質の3Dイメージングを技術産業研究で利用できるようになりました。ZEISS Xradia CrystalCTには、精密に設計されたアパーチャーとビームストップが搭載されており、発散する連続X線ビームを利用して目的の領域を照射し、多結晶試料による弱い回折信号に対する感度を高めます。革新的なDCT画像取得モードでは、大きなサイズの試料の限界を超えて多様な試料を詳細に調査できます。シームレスな大容量結晶粒マッピングでより高速な試料スキャンが可能になり、これまで以上に正確なデータを図示します。


DCTでイメージングしたアルミ製ドッグボーン
1.25 mm(長さ)、1.0 mm(幅)および0.5 mm(厚さ)のAl-4wt.%Cu試料の測定切片。Helical Phyllotaxis HARTを用いてスキャンした試料。

高度な回折スキャンモードが実現する優れた試料代表性

ZEISS Xradia CrystalCTでは、下記を特徴とした革新的な回折スキャンモードにより、高度な材料特性評価、モデリング、そして発見が行えます。

  • これまでにない試料の代表性の高さを実現
  • より大きなボリュームの試料のスキャニングが可能
  • 試料作製や不規則/自然な状態の試料形状の取扱いを簡素化
  • スキャンスピードの向上
  • 試料の特異性に対応

従来のDCTデータ収集では、すべての回転角において関心領域にX線が照射されている必要があり、サンプルのサイズが制限されていました。高度な回折スキャンモードはこの課題を克服し、様々な試料形状やサイズを扱えるようにするための手法で、自然界の黄金角からインスピレーションを得たヘリカルスキャンのスキーマを採用しています。


鋼強化コンクリートのmicroCTイメージング
鋼強化コンクリート検体の定量的容量分析。ボイドを紫色でレンダリング。

パワフルなマイクロCTプラットフォーム

ZEISSは、強力なXradia技術を活用し、世界有数の性能を持つマイクロCTを提供します。堅牢なステージ、ソフトウェア制御のX線源/試料/検出器の柔軟な位置決め、および大規模ピクセルアレイ検出器により、最高のコントラストで高品質かつ高解像度のスキャニングが可能になります。また、オブジェクトやデバイス全体をイメージングし、内部の詳細が3Dで明らかになります。画像取得速度が向上するとともに試料の測定時間が短縮され、生産性と採算性が向上します。さらに、非破壊CTによりin situ・4D研究が可能となり、様々な条件における経時的な実際の影響を理解することができます。ZEISS Xradiaイメージングシステムでは、実績のあるハードウェア技術を最先端の安定性およびドリフト補正機能と組み合わせています。CrystalCTが常にマイクロCTに対する期待以上の性能を発揮するのは、この定評あるプラットフォームの優れた安定性があるからこそです。


[Achtung!]

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研究の可能性を拡げるDCT

ZEISS研究用顕微鏡ソリューションとXnovo Technologyとのパートナー連携により、画期的な研究室用回折コントラストトモグラフィー(DCT)技術を搭載したZEISS Xradia CrystalCTが誕生しました。マイクロCTのDCTにより、3D結晶粒マッピングを用いて、様々な金属、鉱物、セラミックス、半導体および医薬品試料などの単相の多結晶物質の3Dイメージングを技術産業研究で利用できるようになりました。ZEISS Xradia CrystalCTには、精密に設計されたアパーチャーとビームストップが搭載されており、発散する連続X線ビームを利用して目的の領域を照射し、多結晶試料による弱い回折信号に対する感度を高めます。革新的なDCT画像取得モードでは、大きなサイズの試料の限界を超えて多様な試料を詳細に調査できます。シームレスな大容量結晶粒マッピングでより高速な試料スキャンが可能になり、これまで以上に正確なデータを図示します。

高度な回折スキャンモードが実現する優れた試料代表性

ZEISS Xradia CrystalCTでは、下記を特徴とした革新的な回折スキャンモードにより、高度な材料特性評価、モデリング、そして発見が行えます。

  • これまでにない試料の代表性の高さを実現
  • より大きなボリュームの試料のスキャニングが可能
  • 試料作製や不規則/自然な状態の試料形状の取扱いを簡素化
  • スキャンスピードの向上
  • 試料の特異性に対応

従来のDCTデータ収集では、すべての回転角において関心領域にX線が照射されている必要があり、サンプルのサイズが制限されていました。高度な回折スキャンモードはこの課題を克服し、様々な試料形状やサイズを扱えるようにするための手法で、自然界の黄金角からインスピレーションを得たヘリカルスキャンのスキーマを採用しています。

パワフルなマイクロCTプラットフォーム

ZEISSは、強力なXradia技術を活用し、世界有数の性能を持つマイクロCTを提供します。堅牢なステージ、ソフトウェア制御のX線源/試料/検出器の柔軟な位置決め、および大規模ピクセルアレイ検出器により、最高のコントラストで高品質かつ高解像度のスキャニングが可能になります。また、オブジェクトやデバイス全体をイメージングし、内部の詳細が3Dで明らかになります。画像取得速度が向上するとともに試料の測定時間が短縮され、生産性と採算性が向上します。さらに、非破壊CTによりin situ・4D研究が可能となり、様々な条件における経時的な実際の影響を理解することができます。ZEISS Xradiaイメージングシステムでは、実績のあるハードウェア技術を最先端の安定性およびドリフト補正機能と組み合わせています。CrystalCTが常にマイクロCTに対する期待以上の性能を発揮するのは、この定評あるプラットフォームの優れた安定性があるからこそです。

アプリケーション分野

金属、セラミックス、半導体、地球科学、医薬品など

ZEISS Xradia CrystalCTは、アプローチの異なる最先端の回折コントラスト技術を用い、実際の試料形状をターゲットにしながら実際の環境下でイメージングできます。これは、研究産業関連のラボの一般的なニーズを満たします。他の結晶粒マッピング技術と異なり、DCTでは非破壊的な3D結晶粒イメージングが可能です。

アルミニウム-銅合金の結晶粒マップ
吸収・回折コントラストトモグラフィーでイメージングしたアルミニウム銅合金の3D結晶粒マップ

材料科学

  • 高分解能吸収コントラストトモグラフィーから得られる補完的情報および非破壊3D結晶粒マッピングによる粒径、形状、配向および粒界に関する情報
  • 光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡などの表面イメージング法では見えない内部微細構造や、オーバーレイした結晶粒マップを非破壊的に確認
  • データをセグメント化および分析して、構造や粒子の定量的な3Dデータを取得
  • ex situまたはin situ実験を通じて4Dイメージングを実行し、機械的負荷や腐食などによって材料がどのように変化するかを確認

高度なスキャンモードでイメージングした極薄の鋼試料
4 mm(RD)、2 mm(TD)、0.08 mm(ND)の極薄配向電磁鋼試料の3D結晶粒マップ。

金属および鉱物

  • 3Dでの粒径および相変化を理解して、合金性能とその熱処理や機械的処理の影響に対する見識を得る
  • ハイスループットで測定した岩石コア(最大4 inch = 10.6 cm)の非破壊3Dイメージングデータによる特性評価やモデリングを利用して、デジタル岩石シミュレーションや材料特性(機械的、熱的など)を予測する物理シミュレーション用に実際の3D構造をエクスポート。
  • in situフロー研究または3D鉱物研究のためのハイコントラスト3Dイメージング

高アスペクト比トモグラフィーモードでイメージングした半導体太陽電池パネル
太陽電池パネルの高さ30 mmのポリシリコン材料の3D結晶粒マップ。

製造

  • 大型試料などの様々な試料サイズにフル3Dコンテキストで対応し、特定のアプリケーションでは3D結晶粒マップで補完
  • 3Dプリントした金属部品の結晶学ベースでのプリント品質評価
  • ハイスループットスキャンによりインタクトな状態のデバイスを短時間で測定
  • 物理的な断面を補完または置換することにより、試料を犠牲にすることなくイメージングが可能

マイクロCTでイメージングした非損傷状態のマウスモデル
パラフィン包埋したマウス胚の2D仮想断面と3Dレンダリングの断面模型図。

生命科学

  • 染色または未染色の硬組織や軟組織と、生物学的微細構造のハイコントラストイメージング
  • 試料染色の迅速かつ非破壊的な検証、および3D電子顕微鏡を使用した後続のイメージングのための特徴の位置特定

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材料科学

  • 高分解能吸収コントラストトモグラフィーから得られる補完的情報および非破壊3D結晶粒マッピングによる粒径、形状、配向および粒界に関する情報
  • 光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡などの表面イメージング法では見えない内部微細構造や、オーバーレイした結晶粒マップを非破壊的に確認
  • データをセグメント化および分析して、構造や粒子の定量的な3Dデータを取得
  • Ex situまたはin situ実験を通じた4Dイメージングにより、機械的負荷や腐食などによって材料がどのように変化するかを確認する

金属および鉱物

  • 3Dでの粒径および相変化を理解して、合金性能とその熱処理や機械的処理の影響に対する見識を得る
  • ハイスループットで測定した岩石コア(最大4 inch = 10.6 cm)の非破壊3Dイメージングデータによる特性評価やモデリングを利用して、デジタル岩石シミュレーションや材料特性(機械的、熱的など)を予測する物理シミュレーション用に実際の3D構造をエクスポート。
  • in situフロー研究または3D鉱物研究のためのハイコントラスト3Dイメージング

製造

  • 大型試料などの様々な試料サイズにフル3Dコンテキストで対応し、特定のアプリケーションでは3D結晶粒マップで補完
  • 3Dプリントした金属部品の結晶学ベースでのプリント品質評価
  • ハイスループットスキャンによりインタクトな状態のデバイスを短時間で測定
  • 物理的な断面を補完または置換することにより、試料を犠牲にすることなくイメージングが可能

生命科学

  • 染色または未染色の硬組織や軟組織と、生物学的微細構造のハイコントラストイメージング
  • 試料染色の迅速かつ非破壊的な検証、および3D電子顕微鏡を使用した後続のイメージングのための特徴の位置特定

バックグラウンドテクノロジー

サンプルの代表性

試料の代表性ダイヤグラム

試料の代表性-膨大な量の実データを取得し忠実な計算モデルを作成することは、結晶粒イメージングにおける課題となっています。

従来のDCTデータ収集では、すべての回転角において関心領域にX線が照射されている必要があり、サンプルのサイズが制限されていました。ZEISS Xradia CrystalCTの高度なDCTモードはこの課題を克服するものです。

ZEISS Xradia CrystalCTの高度な回折スキャンモードには以下のものがあります。

  • Helical Phyllotaxis
    Helical Phyllotaxisは、アスペクト比が縦長の円筒形試料に使用されます。
  • Helical Phyllotaxis Raster
    Helical Phyllotaxis Rasterは、通常視野よりも幅広い試料に使用されます。
  • Helical Phyllotaxis HART
    Helical Phyllotaxis High Aspect Ratio Tomography(HART)は、平坦または板状の試料をイメージングする際の問題を解消します。

3D結晶粒の再構築

結晶粒のデータのインデックスを、正確、迅速、かつ自動的に実行

ワークフローの最初のステップである初回画像取得後、再構築を開始します。吸収トモグラフィーと回折データをGrainMapper3Dに読み込み、 多結晶体の粒方位の候補を、逆投影と順投影を用いて特定します。

次のステップは、自動化された反復的な検索により、試料内の結晶粒を探すことです。結晶粒の再構成結果は、インデックス済の粒子の詳細を含み、スライスのスタックまたは容量のデータセットとして保存されます。最終的には、スタンドアロンのGrainMapper3D Viewerアプリケーションを使って、3D LabDCTの結果を共同研究者や顧客と共有できます。

3D結晶粒のマッピング

3D結晶粒のマッピング

すべての情報を1つのファイルにまとめる

最後のステップは、必要な情報をすべて抽出し1つのファイルにまとめることです。試料内のすべての粒子の形状、配向、空間的な位置をオープンデータ形式で出力します。

カスタマイズされたソフトウェア、あるいはシミュレーションツールを使用し、さらに分析を行い実験を終了します。高度なインデックス機能は、対称性が低く複雑な結晶系にも対応しています。

人口知能とは
図をクリックして拡大し、詳細をご覧ください
人口知能とは
図をクリックして拡大し、詳細をご覧ください

Advanced Reconstructionツールボックス(ART)により、お使いのZEISS Xradia 3D X線顕微鏡(XRM)やマイクロCTに、人工知能(AI)駆動の高度な再構成テクノロジーを導入することができます。X線物理学と多様なアプリケーションへの深い知見を活かして、新しい革新的な方法で、難度の高いイメージングの課題を解決します。

ARTの独自モジュールであるOptiRecon、DeepRecon、PhaseEvolveを使うことで、分解能を犠牲にすることなく、データの取得や再構成をスピードアップさせて画像品質を向上させることができます。

Advanced Reconstructionツールボックスでできること

  • データ収集・分析機能の向上により、正確で迅速な意思決定が可能
  • 画質が大幅に向上
  • さまざまな試料に対し、優れた内部断層撮影と高いスループットを実現
  • コントラスト-ノイズ比を改善し、微妙な差異を明確に
  • 繰り返し撮影ではイメージング速度がさらに向上

ZEISS Xradia 620 VersaとDeepRecon Proを使用して取得した、カメラレンズの3D X線データセット。

ZEISS OptiRecon

同等の結果を、4倍の速さで

ZEISS OptiReconは逐次近似再構成法により、画質を最適化しつつスループットを大幅に向上させます。

  • 最大4倍速い測定時間で同等の画質を達成します。もしくは、同じ撮影時間で画質向上を可能とします。
  • さまざまな試料に対し、優れた内部断層撮影や高いスループットを実現します。
電子部品を計測したワークフロー。
電子部品を計測したワークフロー。スマホカメラのレンズにおける組み付けの問題を、4倍の速度で解析できます。左:標準的な再構成:スキャン時間90分(投影数1200) 中央:標準的な再構成:スキャン時間22分(投影数300) 右:OptiRecon:スキャン時間22分(投影数300)
携帯電話カメラモジュール。同等の画質でスループットが4倍に向上。
携帯電話カメラモジュール。同等の画質でスループットが4倍に向上。

左右にスライドして見比べてください:

Standard Reconstruction #300Zoom OptiRecon #300Zoom
標準的な再構成
OptiRecon

ZEISS Recon Pro & Customによる深層学習テクノロジーを用いた再構成

再構成テクノロジーでデータ取得をスピードアップ

DeepReconテクノロジーは、DeepRecon Proと、 DeepRecon Customの2つに搭載されており、どちらもAIを活用して画質と速度を向上させます。 長い作動距離における分解能(Resolution at a Distance, RaaD)を犠牲にすることなくスループットを向上させ、 あるいは同じ投影枚数において画質の向上を可能します。

DeepRecon Proを使用してセラミックスマトリックス複合材(CMC)試料のスループットを向上させた例。画質を損なうことなく10倍のスループット向上を実現。これにより、in situ試験において、時間分解能が大幅に改善。左:標準的な再構成(FDK):スキャン時間9時間(投影数3,001)。中央:標準的な再構成(FDK):スキャン時間53分(投影数301)。右:DeepRecon Pro:スキャン時間53分(投影数301)。

多くのメリット

  • DeepRecon Proを使用すれば、幅広いアプリケーションで優れたスループットと画質を実現可能
  • コントラスト/ノイズ比を改善することで、試料の画像の微妙な差異を明らかに
  • 繰り返しの撮影ワークフローを必要とする試料のデータ取得速度が最大10倍
  • 繰り返し測定に加えて、1回だけの測定でもDeepRecon Proを応用可能
  • 使いやすいインターフェイスを介して、新しい機械学習ネットワークモデルをお客様ご自身で作成できます
  • DeepRecon Proに機械学習の専門知識は不要で、初心者ユーザーでもすぐに使用可能
  • ZEISS DeepRecon Customは、繰り返し測定を行うアプリケーションのXRMパフォーマンスをDeepRecon Pro以上に向上させることを特に目的としています。
  • ZEISSはユーザーと緊密に連携し、繰り返し測定におけるニーズに的確に対応するカスタムのネットワークモデルを開発しています。

アプリケーション例

セラミックマトリックス複合材(CMC)- スループットが10倍に向上

画質を損なうことなく、スループットが10倍に向上します。

スマートウォッチのバッテリー - スループットが4倍に向上

カソード粒子の細部を維持しながら、スループットが4倍に向上。

Smartwatch Battery - Image Quality Improvement

Enhanced image quality to see low contrast graphite particles

21700円筒形セルバッテリー - スループットが8倍に向上

同等の画質でスループットが8倍に向上

2.5D半導体インターポーザーパッケージ – スループットが4倍に向上

1 µmの亀裂が観察できるままでスループットが4倍に向上

2.5D Semiconductor Interposer Package – Improved Image Quality

Improved image quality with same scan time.

Sandstone Core - スループットが6倍に向上

砂岩コアのイメージングでは、画質の向上とイメージングアーチファクトの低減によってスループットが6倍に向上することで、より正確なセグメンテーション、定量化、シミュレーションが可能に。

SmartShield

試料保護の簡易化により、実験の設定を最適化

ZEISS SmartShieldは、試料と顕微鏡を保護するためのソリューションです。この自動衝突回避システムは、Scout-and-Scan制御システム内で動作します。これにより、Xradiaプラットフォームをこれまでになく快適に操作することができます。ボタンをクリックするだけで、SmartShieldが試料寸法に基づいてデジタルの保護膜を作成します。

SmartShieldのメリット:

  • 簡素化された試料設定により、作業効率が向上
  • 初心者から上級者まで、経験に関係なく優れたユーザー体験を提供
  • 貴重な試料および作業内容を保護
  • 確かなスキャン画質
SmartShieldのガイド付きワークフローをビデオでご覧ください。

アクセサリー

in situ実験

科学の発展のために限界に挑戦

ZEISS Xradia X-rayシステムは、高圧フローセルから引張、圧縮、加熱ステージまで、in situ測定の可能性を無限に広げる業界最高の3Dイメージングソリューションを提供します。

X線検査の非破壊的な性質を活用して、研究を空間的な3次元から、時間次元を用いた4D実験に拡張することができます。ZEISS Xradia microCTプラットフォームは、高圧フローセルから引張、圧縮、加熱ステージ、ユーザーのカスタム設計まで、様々なin situ測定に対応します。ZEISS Xradia CrystalCTにin situインターフェースキットを追加することで、機械的統合キット、堅牢な配線ガイド、その他の機能(フィードスルー)が、レシピに基づいたソフトウェアとともにScout-and-Scanユーザーインターフェースからの操作を簡素化します。in situ実験の解像度がニーズに対応しきれない場合は、ZEISS Xradia CrystalCTをXradia 620 Versa X線顕微鏡に変換しましょう。Resolution at a Distance(RaaD)テクノロジーにより、in situチャンバーや装置内にある試料を非常に高い精度で断層イメージングすることができます。

レーザー溶接鋼の引張試験における荷重の増加。
レーザー溶接鋼の引張試験における荷重の増加。

オートローダー

試料操作効率の向上

ZEISS Xradia Versaシリーズのサブミクロン3D X線顕微鏡で利用可能なオプションであるオートローダーを使用して、装置を最大限に活用しましょう。複数のジョブをキューに入れることで、ユーザーの試料操作回数を減らし、生産性を高めることができます。試料ステーションは14個まで積載可能、最大70個の試料に対応します。一晩中、あるいは数日間にわたって稼働させることができます。これまでにない機械的安定性により、大量の試料を定量的に繰り返しスキャンすることが可能になります。

オートローダーオプションを使用すると、一度に最大70個の試料の連続測定が可能です。
オートローダーオプションを使用すると、一度に最大70個の試料の連続測定が可能です。

Software

Simple Control System を使って効率的なワークフローを構築

関心領域を簡単に見つけ出し、Scout-and-Scan Control System 内でスキャンパラメータを指定します。ユーザーの多い共通設備では、使いやすいシステムがメリットを発揮します。

さまざまなメリット:

  • 試料観察用内部カメラ
  • レシピ管理(セット、保存、呼び出し)
  • マルチエネルギー
  • オートローダーオプションを用いた多サンプル処理
  • マウスクリックするだけのマイクロポジショニング機能
Scout-and-Scan Control System
Scout-and-Scan Control System
Lithium-ion Battery
Lithium-ion Battery

Visualization and Analysis Software

ZEISSがお勧めするビジュアリゼーション&解析ソフトウェア Dragonfly Pro (Object Research Systems /ORS製)
X線、FIB-SEM、SEM、およびヘリウムイオン顕微鏡検査などを含む、さまざまなテクノロジーを用いて取得された 3D データのための、分析およびビジュアリゼーション向け上級ソフトウェアです。
Visual SI Advanced の後継である Dragonfly Pro は、鮮明度の高いビジュアリゼーション技術および業界をリードするグラフィックを提供します。Dragonfly Pro は、使いやすい Python scripting を用いたカスタマイズに対応。これによってユーザーは、その3Dデータの後処理環境およびワークフローを完璧にコントロールすることができます。

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ZEISS ZEN Intellesis for Image Segmentation in Microscopy

ZEISS ZEN Intellesisによる、顕微鏡画像のセグメンテーション

深層学習の力を利用して、画像のセグメンテーションを容易に行い、これらが提供するデータの真の価値を知ることができます。画像のセグメンテーションが、後に続くあらゆる画像解析ステップの基礎となります。ZEISS ZEN Intellesisは深層学習とPythonを用いており、これによって専門家ではなくても、再現性の高いセグメンテーション結果を容易に得ることができます。一度ソフトウェアをトレーニングしてしまえば、ZEISS ZEN Intellesisを用いて、何百もの画像データを自動でセグメンテーション。時間を節約し、オペレーターのバイアスを最小化することができます。

ZEISS ZEN Intellesisによる、顕微鏡画像のセグメンテーション

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Flyer: ZEISS Xradia CrystalCT

World’s first crystallographic imaging microCT for academic and industrial applications.

ページ: 2
ファイルサイズ: 1081 kB

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White Paper

3D Crystallographic Imaging