CN105745736A

CN105745736A - 用于压缩扫描电子显微术的系统和方法

Info

Publication number: CN105745736A
Application number: CN201480058745.1A
Authority: CN
Inventors: 布赖恩·W·里德
Original assignee: Lawrence Livermore National Security LLC
Current assignee: Lawrence Livermore National Security LLC
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2034-10-08
Also published as: CA2921307A1; KR20160077072A; KR102160520B1; JP2016538681A; US8933401B1; JP2020061374A; EP3061118B1; EP3061118A4; AU2014340580A1; EP3061118A1; CA2921307C; WO2015061037A1; JP6684705B2; CN105745736B; AU2014340580B2

Abstract

公开了一种扫描透射电子显微术(STEM)系统。该系统利用电子束扫描系统，该电子束扫描系统被配置为在基本上整个样本之上产生多次电子束扫描，其中每次扫描都在扫描行程中改变电子照明强度。信号采集系统可以被用来从扫描中获得图像、衍射图案或光谱中至少之一，图像、衍射图案或光谱仅表示来自包括图像的所有像素位置的选定子集或线性组合中至少之一的信息。可以根据信息生成数据集。子系统可以被用来对数据集进行数学分析以预测实际信息，该实际信息是图像的每个像素位置会产生的信息。

Description

用于压缩扫描电子显微术的系统和方法

政府权利的声明

由于劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的运作，美国政府依据美国能源部和劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司(LawrenceLivermoreNationalSecurity,LLC.)之间的第DE-AC52-07NA27344号合同对本发明拥有权利。

技术领域

本公开内容涉及扫描透射电子显微术(STEM)，并且更具体地，本公开内容涉及用于执行STEM的系统和方法，其还在扫描期间在对射束强度或扫描速度或扫描路径的快速调制的情况下利用压缩感测来更有效地利用采集时间和递送给样本的电子束剂量。

背景技术

本节中的陈述仅提供涉及本公开内容的背景信息，并且可以不构成现有技术。

研究和工业中的许多应用得益于利用扫描透射电子显微术(STEM)衍射、高角度环形暗场STEM(HAADF-STEM)、STEM电子能量损失能谱(STEM-EELS)以及STEM能量色散X射线谱(STEM-EDX)而获得的光谱信息和高分辨率结构。典型的操作序列是设置仪器以采集感兴趣的信号、将精密聚焦电子探针放置在样本的一个点上、采集信号(例如，衍射图案、来自HAADF探测器的当前读数，或损失能谱)，以及然后移动探针且重复上述操作。虽然自动化系统使得这一切能够在限定明确的规则2D阵列中快速发生，但是信息返回很不理想。在STEM衍射和STEM-EELS的情况下，每次采集可能花费明显的零点几秒或者甚至几秒，以使得对样本的整个扫描可能需要几个小时。然而，这样获得的大部分信息在某种意义上是多余的。此外，与STEM衍射相比，HAADF-STEM扫描可以进行地更快但是返回的信息更少；给定STEM衍射数据集，可以重建任何常规STEM图像(HAADF、常规明视场、环形明视场、分裂式探测器等)所产生的内容，同时还使用来自布拉格衍射的信息来识别晶相和取向。因此，类似于在总曝光时间上可与HAADF-STEM相比拟的STEM衍射的情况，提供数据返回的技术代表有关这两种技术的实质性改进。

众所周知，尤其对于STEM-EELS，存在针对数据集是“稀疏”的数据的表示。这意味着每个光谱或衍射图案都可以以高精度表示为相对小数量的主要成分或独立成分的组合，以及许多光谱和衍射图案看起来彼此非常相似。从信息理论的角度来看，这意味着在扫描中采集的很多信号是多余的且实际上没有提供有关样本的新的、相关的、独立的信息。对于HAADF-STEM，可以进行更快的扫描，但是从每个电子仅取回少量信息；更具体地，电子击中或没有击中HAADF探测器。这是因为HAADF的存在代表了一种实践上的妥协。本质上利相机进行操作的STEM衍射系统非常快但是只具有单个像素。

过去为了改进STEM数据吞吐量所做出的努力集中在改进探针形成系统中的亮度、稳定性和色差以及探测器的信噪比。现在，信噪比达到探测单个电子的水平，且探针电流密度足够高以使得对样本的射束损坏经常是分辨率极限，这些策略缺少改进的余地。因此，需要新的系统和方法以在执行STEM衍射或STEM-EELS时更有效地利用采集时间和递送给样本的电子束剂量。

发明内容

本公开内容的一个方面涉及一种扫描透射电子显微术(STEM)系统。该系统可以利用电子束扫描系统，该电子束扫描系统被配置为在基本上整个样本之上产生多次电子束扫描，其中每次扫描在扫描的行程中改变电子照明强度。信号采集系统可以用于从扫描中获得图像，该图像表示来自包括图像的所有可用像素的仅选定子集(或者更通常地是任意线性组合)的信息。可以从信息生成数据集。子系统可以用于对数据集进行数学分析来重建信息，该信息由常规STEM采集中的每个像素生成。

本公开内容的另一方面涉及一种扫描透射电子显微术(STEM)系统。该系统可以包括用于产生指向样本的电子束扫描序列的电子束扫描系统。在创建掩模的扫描行程中，每次电子束扫描可以具有被传递至样本的区域的空间改变的电子照明强度。可以通过调制电子束电流、通过调制扫描速度、通过以与通常在STEM中使用的标准光栅扫描相反的任意模式进行扫描或者通过这些方法的任意组合来产生照明强度的这种模式。在每次扫描受样本影响之后，信号采集子系统可以用于从每次电子束扫描中获得图像、衍射图案或光谱，且可以从全部图像、衍射图案或者通过掩模收集而产生的光谱中至少之一生成数据集。数据集可以以图像的所有可用像素的预选定的子集或线性组合来表示信息。可以使用被配置为对数据集进行数学分析来预测实际信息的计算机，其中，如果以常规光栅图案执行STEM扫描，则实际信息已经从图像中的每个单独像素获得。即使在掩模的总数是像素数目的一小部分以及总的曝光时间或电子束剂量是在相同类型(如STEM衍射、STEM-EELS或者STEM-EDX)的常规STEM扫描中所使用的一小部分的情况下，压缩感测的数学技术也通常使得能够进行这个重建。

本公开内容的又一方面涉及一种用于执行扫描透射电子显微术(STEM)的方法。该方法可以包括在基本上整个样本之上执行多次电子束扫描，其中每次扫描在扫描的行程中改变电子照明强度。可以从扫描中获得图像，该图像包括关于构成图像的所有可用像素的仅选定子集或线性组合的信息。在扫描期间可以根据信息生成数据集。可以对数据集进行数学分析来预测实际信息，其中如果以常规光栅图案执行STEM扫描，则实际信息可以已经由图像的每个像素生成。

根据文中所提供的描述，其他领域的适用性变得明显。应理解，描述和特定示例旨在仅说明性目的而并不意在限制本公开内容的范围。

附图说明

文中所描述的附图仅用于说明目的且并不意在以任何方式限制本公开内容的范围。在附图中：

图1是根据本公开内容的扫描透射电子显微术(STEM)系统的一个实施方式的高级框图，该系统利用压缩感测来减少数据集以及明显改进STEM衍射、STEM-EELS和STEM-EDX中的吞吐量；以及

图2是可以利用图1所示的系统来执行的操作的高级流程图。

具体实施方式

下面的描述在本质上仅是示例性的且并不意在限制本公开内容、应用或用途。应理解，在全部附图中，相应的附图标记指示相同或相应的部分和特征。

针对上述限制，本公开内容介绍了一种解决方案，该解决方案在数学原理上类似于使用光电二极管和微镜阵列来拍摄光学图像的单像素相机，但是在技术细节上完全不同，因为本解决方案使用电子显微术，以及利用光栅扫描或变速扫描或以任意非光栅图案的扫描进行同步的时间调制射束，或者这些调制技术的组合，以在样本处产生任意强度的模式。同样，在照明而不是探测中进行掩蔽具有显著重要性和优势，这最小化了对样本的任何可能的辐射损坏。

参照图1，示出了根据本公开的一个方面的感测系统10。系统10利用压缩感测来明显改进STEM-EELS和STEM衍射中的信息吞吐量。在一个实施方式中，系统10可以形成扫描透射电子显微术(STEM)系统12，系统12针对测量后重建而利用时间调制的电子束电流和数学技术。系统12的快速射束电流调制器14对电源16的输出进行调制，电源16对施加至电子枪18的引出电压或栅极电压进行控制。射束电流调制器14可以由控制器19进行控制。

引出电极20从调制电源接收输出以产生经调制的电子束22。经调制的电子束22被馈送到子系统24中，子系统24包括探针形成透镜和扫描线圈以及对电子束22的运动进行聚焦和控制。探针形成透镜系统和扫描线圈是STEM中的标准部件。电源16的电压或电流可以由控制器19与施加至子系统24的扫描线圈的电压或电流同步地进行调制。这产生了具有任意变化强度的电子束26，因为其在样本28上被反复快速地进行光栅扫描以照射样本。任意变化强度在样本28上产生任意变化模式的明暗电子照明区域，其可以称为“掩模”。

系统10还可以包括用于对由样本28所产生的衍射图案进行采集的信号采集子系统，在一个示例中，信号采集子系统为相机，例如标准TEM相机30。可替选地，信号采集子系统可以包括用于对通过射束26照射和穿过样本28而产生的电子能量损失能谱(EELS)进行评估的EELS采集系统32。一个合适的EELS采集系统可以是可向加利福尼亚州，普莱森顿的Gatan股份有限公司购买的Gatan成像滤波器(GIF)。可替选地或同时地，信号采集子系统可以包括用于对通过射束26照射和穿过样本28而产生的能量色散X射线谱进行采集的EDX采集系统33。TEM相机30、EELS光谱仪32或EDX采集子系统33(下文中称为“EDX光谱仪”)可以由控制器19进行控制以使得操作与电子束26的扫描同步。

TEM相机30、电子能量损失能谱仪32或EDX采集光谱仪33可以向被配置为对压缩感测数据执行数学重建的计算机36提供输出。输出由包括从对样本28的所有扫描而获得的信息的数据集表示(即，与衍射图案、电子能量损失能谱或能量色散X射线谱有关的信息)。

在利用第一掩模进行初始扫描期间，TEM相机30可以用来获得衍射图案，或者EELS子系统32可以用来获得损失能谱，和/或EDX光谱仪33可以用来获得X射线发射谱。然后，执行使用不同的掩模的另一扫描以及获得另一衍射图案或光谱。术语“不同的掩模”是指利用STEM12和子系统24而生成不同的任意照明模式。在利用TEM相机30、能量损失能谱仪32和/或EDX光谱仪33中任一个完成采集的情况下，对于所期望的多个已知(但任意的)掩模中的每个掩模重复该过程。“已知”是指所产生的任意掩模是已知的，通常是事先已知，但并非一定是事先已知。“任意”是指执行每次扫描时的照明强度变化可被自由限定为由压缩感测的数学理论来指示。掩模通常但并非一定不具有可辨别的或规则的模式，但是看上去仅仅是随机改变强度。从这样的扫描集合中采集的信息可以称为“数据集”。

可以利用已知的数学压缩感测技术来对数据集进行分析。如果已经对整个样本28执行常规光栅扫描，那么数学压缩感测技术使得能够对探测器根据构成图像的每个单独像素而记录的内容的高质量估计进行重建。对于STEM衍射而言，这通常可以是根据2D扫描图像中的每个点或者换言之4D数据集而对整个2D衍射图案的估计。对于STEM-EELS或STEM-EDX而言，结果可以是对扫描图像的每个点处的1D光谱的估计，其产生通常称为“光谱图像”或“数据立方体”的3D数据集。这些是预期最常见的操作模式，当然其他模式也可以。例如，这样的其他操作模式可以包括断层倾斜支架、角度解析EELS或时间解析TEM以进一步增加数据集的维数。

应理解，压缩感测有点不合常理。压缩感测实质上利用下述事实：现实世界的数据集是高度模式化的且离纯粹的随机非常远。其在某种意义上几乎总是在数学上是“稀疏的”或者以服从数据压缩的方式而至少是近似稀疏的。这意味着在数据集(其可以是图像，或许在视频时间序列中的图像集、光谱集等)可以由系数集合来表示的情况下存在数学表示，系数的大多数都为零或者足够接近零，使得忽视或近似它们对数据质量几乎没有实际影响。那些从事MPEG和JPEG压缩工作的人都通晓这个事实，其中已确认可以在质量几乎很少降低或无明显降低的情况下消除数字媒体文件中的通常80-90％的信息(根据原始字节数)。这些技术依赖于数学变换，例如离散余弦变换，其中在图像压缩的情况下，该数学变换基本上相当于将一系列掩模应用于图像，以及记录图像与每个掩模之间的交叠程度(在数学上是内积)。在掩模的数量等于像素数的限制下，图像可以被准确地重建。但是很多时候仅一部分(或许10-20％)掩模对图像中的绝大多数相关的、无噪音的信息进行编码，而其余的可以被丢弃或者被近似而几乎没有什么影响。本公开内容的系统10将压缩感测应用于图像的实际采集而不是采集后分析。这使得能够从图像的所有可用像素位置的选定子集或线性组合中获得信息，而不是针对图像的每一像素位置的信息。与需要对针对图像的每个像素采集信息的常规STEM系统相比，这可以明显降低采集数据集所需的时间。这有三个优势：减少提取给定的信息集合的采集时间(从而改进数据吞吐量)；减少提取给定的信息集合的电子束曝光(从而减少辐射损坏，并且与采用常规方法相比能够测量更多的辐射敏感材料)；以及针对给定采集时间和/或剂量而增大所采集的信息量(例如，在总曝光上比得上常规HAADF-STEM采集所需的总曝光的情况下采集STEM衍射数据集)。

进一步参照图1，在系统10的操作期间，如果使用TEM相机30，则TEM相机记录与通过掩模所选择的样本位置集合相对应的衍射图案的叠加。样本位置集合表示构成TEM相机30能够产生的图像的所有可用像素位置的预选定的子集或线性组合。如果使用EELS光谱仪32，则获得与通过掩模所选择的样本位置集合(即，构成图像的所有可用像素位置的预选定的子集或线性组合)相对应的能量损失能谱。然后利用最佳掩模集合或接近最佳的掩模集合来重复进行上述操作。例如，给定当今压缩感测文献中报道的现实世界图像的通常80％至90％的可压缩性，期望利用仅100,000或200,000个掩模而重建的一百万像素STEM衍射数据集或光谱图像并不是不合理的，这因而表示采集时间和/或总电子束曝光减少五倍至十倍。

还应理解，关于压缩感测的当今文献已确认了随机白噪声对于许多应用而言非常接近最佳。在当今文献中与最佳掩模设计相关联的数学挑战涉及压缩感测。如果在(例如，在STEM-EELS中)来自图像中的每个点的完全不同的光谱的情况下数据集纯粹是随机的，则此采集方法与常规STEM相比没有优势。但是在现实世界的应用中，来自给定样本上的一个位置的光谱很可能看起来非常像来自同一样本上的附近位置的光谱，以及与光谱仪中的独立通道的数量相比，由给定样本产生的光谱中的物理上相关的空间改变具有更少的维数。这在当今EELS数据分析文献中是公认的。在对衍射图案的主分量分析的情况下，本公开内容的发明人的经验表明对于STEM衍射同样也是如此。

本公开内容中描述的系统和方法明显不同于所有已公开的用于将压缩感测应用于电子显微术的所提出的系统和方法(例如，H.S.Anderson等人的“SparseImagingforElectronMicroscopy”Proc.SPIE86570C，2013年2月(以下称为“Anderson等人”)；P.Binev等人的在“ModelingNanoscaleImaginginElectronMicroscopy”中的“CompressedSensingandElectronMicroscopy"T.Vogt,W.Dahmen和P.BinevEds.,Springer,2012(以下称为“Binev等人”))。Anderson等人在扫描电子显微术(SEM)中使用调制扫描(其利用与扫描透射电子显微术相同的一些物理原理进行操作)来创建以完全常规的方式采集的SEM图像，除了射束仅在图像位置的选定子集处停留较长时间以外。如在常规SEM中那样，单个探测器记录来自每个单独位置的信号电流。因此，如由Binev等人所讨论的，由于仍然以与常规SEM完全相同的方式即通过将探测器信号同步到扫描系统来确定不同空间位置之间的差别，因此该方法并不是真正在压缩感测的范例内。实际上，这看起来只是使用容易获得的数学技术来重建以实质上常规的方式采集的欠采样图像的示例。相反地，Binev等人证明了对压缩感测范例的相当全面的理解，但是花费相对少的时间讨论实现的实际机械学和仪器。或许正因为如此，Binev等人没有涉及能够将本公开内容中所讨论的系统和方法与所有公开文献的区分开来的一个基本洞察：也就是说，一旦已经使用压缩感测技术来通过非常规手段实现空间分辨率，就可以自由地使用以相对低的速度进行操作(因为需要针对每次扫描仅进行一次采集而不是针对每个像素进行一次采集)的大型的(但更典型的大规模的)平行探测系统信息，来相对于利用单通道探测器所实现的信息吞吐量大幅度增加信息吞吐量。Binev等人的出版物中的所有分析实质上显示出假设仍以常规方式进行信号收集，例如利用标准的单通道HAADF-STEM探测器。相反地，本公开内容所提出的系统和方法没有将压缩感测应用于HAADF-STEM(其使用单通道探测器)而是应用于高维采集模式，其包括但不限于：使用实际上具有数百、数千甚至数百万个通道的探测器的STEM-EDX、STEM-EELS以及STEM衍射。因此，实际上，本公开内容的系统和方法能够使用探测器中的平行性以同时执行数百、数千或数百万个压缩感测STEM采集。这是与所有先前公开或出版的探测系统之间的非常显著的根本区别。

高速射束调制器子系统14可以通过若干已确立的技术来实现。例如，可以通过对诸如场发射枪引出电极20上或单色仪中的一个或更多个电极上的静电元件上电压进行调制，来完成对电子枪18的电流的快速调制。现代的任意波形发生器和宽频高压放大器可以提供具有接近1GHz的调制频率的所需电信号，以及可以容易地被设计成接受来自对电子束扫描进行控制的系统10的定时触发。这个电压信号应当被施加至优选地至少为约60kV或者离接地电位更远的电极，且这是利用对标准TEM部件的相对简单的修改来实现的。电子枪还可以是基于由任意波形激光器驱动的光电阴极。

改变照明强度的另一方法可以包括在整个扫描的行程中，利用扫描调制子系统21(图1)还是在预定义的模式中暂时地多次改变每次光栅扫描的速度。更一般地，可以利用类似于矢量图形显示的高速电子排序系统来限定具有不同速度和方向的任意扫描模式且将其应用于扫描线圈。这样的扫描调制系统21可以自身进行操作或与电子束电流调制相组合地进行操作，以在样本处生成期望的任意强度模式。更进一步地，改变照明强度的另一潜在方法可以包括使用具有独立门发射器的大型阵列的电子枪。

参照图2，其示出了可以利用图1的STEM系统10来执行的各种操作的高级流程图100。在操作102处，电子束扫描系统12可以用来在样本28的至少主要部分之上、以及更优选地在整个样本之上生成任意模式的明暗电子照明区域。在操作104处，利用TEM相机30或EELS光谱仪32或EDX探测器来收集在样本上的预选定位置处生成的信号(例如，衍射图案、EELS或EDX)。在操作106处，将扫描的结果记录在数据集中。在操作108处，检查是否已执行期望次数的扫描。如果没有，则重复操作102至108。如果已经完成期望次数的扫描，则如在操作110处所指示的，计算机36被用来执行对数据集的重建。

利用系统10，对于N像素图像而言，相较于常规STEM的N次采集，通常需要利用压缩感测来获得仅0.1N至0.2N次采集。相较于利用常规STEM系统，还可以更快速地执行光栅扫描，这是因为光栅扫描仅需要针对每次扫描进行一次采集而不是针对每个像素进行一次采集。即使利用标准的电磁扫描线圈，然而由探测器而不是由扫描系统来限制常规STEM中的扫描速度是十分常见的；(例如在超高速扫描相机中所使用的)静电扫描板可以更快，从而潜在地使得整个扫描能够在零点几毫秒内完成。例如，在HAADF-STEM中，荧光衰减时间将停留时间限制为在乐观的情况下针对每个像素不小于可能为一微秒，其中针对每个像素为10微秒至100微秒是更常用的值。在STEM衍射中，相机读出通常需要花费每像素几毫秒或甚至几秒，使得大的高分辨率扫描可能需要花费几个小时。STEM-EELS和STEM-EDX类似地具有几毫秒至几秒的典型停留时间。将系统10应用于其中使得HAADF-STEM应当允许要以比至样本的总电子剂量小五至十倍且根据电子控制系统的特性-——可能也是更低的总采集时间——而采集的实质上相同的图像的情况。或者系统10可以被用来利用可与HAADF-STEM采集中通常使用的相比拟的总电子剂量来采集STEM衍射数据集，由此针对每个电子获得更多的信息，一般地，压缩感测方法使得能够更好地利用由每个电子所提供的信息，以使得用户能够确定如何在曝光时间、像素计数、辐射损坏或所采集的信息的定性类型这些方面分配这一优势。

系统10的另一个优势系统的使用与何时以及何处发生测量后重建无关。事实上，在足够的计算能力的情况下，即使在数据采集(即，使用多个掩模进行扫描)持续进行的情况下，也可以很好地进行测量后重建。

可与利用至少两种方法中之一来构建掩模校准。第一种校准方法可以是在不存在样本的情况下利用系统10以及利用STEM系统10来生成每个经调制的扫描模式，其中STEM系统10是以现实空间成像模式(其使用被置于样本与相机之间的透镜，该透镜通常存在于任何透射型电子显微镜中且在图中未示出)进行操作的。这将直接产生每个经强度调制的掩模的现实空间图像，每个图像是利用TEM相机30拍摄的。第二种方法可以是将扫描系统12设计成具有足够的精度，使得经强度调制的掩模可以以适当的精度被预先计算。期望仅在使用第一种方法进行若干次测试之后才认为第二种方法的结果是可信的。

在一些情况下，在对数据集进行采集期间采取适当的措施来补偿样本28的物理漂移是优选的。这样做的一种标准方式是周期性地执行常规STEM扫描，将所产生的图像与先前的这种图像对准，以及将掩模的数学模型的坐标系适当地偏移。潜在地，可以执行被设计为能够探测样本漂移的、利用掩模的先进数学重建技术。例如，如果两个掩模看起来除了空间平移以外完全相同，那么利用这两个掩模进行的测量之间的互相关提供了关于漂移的一些信息。利用混合中的足够数量的这种平移对，且假设漂移速度仅随时间缓慢变化，可以潜在地在同时生成对漂移的高精度估计的同时重建图像。应理解，可以潜在地实现这种漂移补偿技术的若干其他变型。

本公开内容的系统10和方法的成功实现具有呈现常规HAADF-STEM的潜力，常规HAADF-STEM是针对高分辨率成像广泛使用的技术且对于许多应用已经过时。这是因为相较于HAADF-STEM采集而言，STEM衍射采集明显具有更多信息。事实上，假设由于能拍摄衍射图案的当前可用2D相机对于以在HAADF-STEM中使用的更快速的单像素探测器所允许的扫描速率进行操作而言过于缓慢而仅使用HAADF-STEM并不是不合理的。本公开内容的压缩STEM系统10通过利用不同的掩模以高度优化的方式采集数据来创建2D数据集而绕过了这个限制。

本公开内容的系统10和方法还具有以非常高的空间分辨率是实现和/或改进辐射敏感材料的成像和分析的潜力。通过更好地利用通过样本赋予每个电子的信息，产生具有给定分辨率和质量水平的数据集的总电子曝光量可以潜在地减少五倍至十倍。由于在现代STEM分析中，分辨率限制通常是由样本的稳定性而不是仪器的性能决定的，因此这是高度有价值的优势。在生物材料和由容易破碎且不可能自我修复的低原子序数和/或键表征的其他材料的领域内尤其是这样。

虽然已经描述了各种实施方式，但是本领域的技术人员应认识到，可以在不背离本公开内容的情况下作出修改或变化。示例说明了各种实施方式且不旨在限制本公开内容。因此，说明书和权利要求应当仅以就相关现有技术而言必要的限制而被不受限制地解释。

Claims

1.一种扫描透射电子显微术(STEM)系统，包括：

电子束扫描系统，其被配置为在基本上整个样本之上产生多次电子束扫描，其中每次所述扫描都在扫描行程中改变电子照明强度；

信号采集系统，其用于从所述扫描中获得图像，其中所述图像仅表示来自包括所述图像的所有像素的选定子集或线性组合中至少之一的信息，以及用于根据所述信息生成数据集；以及

子系统，其用于对所述数据集进行数学分析以预测实际信息，其中所述实际信息是在常规STEM采集中每个像素会产生的信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述子系统被配置为利用与压缩感测相关联的数学方法来执行对所述数据集的数学重建。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子照明强度在每次所述扫描的行程上随机改变。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子束扫描系统被配置为通过改变施加至所述系统的电子枪的功率来产生电子照明强度的改变。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子束扫描系统被配置为通过改变每次所述扫描的速度和/或模式中至少之一来产生电子照明强度的改变。

6.一种扫描透射电子显微术(STEM)系统，包括：

电子束扫描系统，其用于产生指向样本的电子束扫描序列，其中每个所述电子束扫描都具有在扫描行程上有空间变化的电子照明强度，其形成掩模；

信号采集子系统，其用于获得图像，其中所述图像表示所述图像可用的所有像素的子集或线性组合中至少之一的信息，以及用于根据所述信息生成数据集；以及

计算机，其被配置为对所述数据集进行数学分析以预测实际信息，其中所述实际信息是从所述图像中的每个单独像素会得到的信息。

7.根据权利要求6所述的STEM系统，其中，所述信号采集子系统包括透射电子显微术(TEM)相机。

8.根据权利要求6所述的STEM系统，其中，所述信号采集子系统包括电子能量损失能谱仪(EELS)。

9.根据权利要求6所述的STEM系统，其中，所述信号采集子系统包括能量色散X射线光谱仪(EDX光谱仪)。

10.根据权利要求6所述的STEM系统，其中，所述电子束扫描系统被控制成使得施加至所述系统的电子枪的功率输出在每次所述扫描的行程中改变，由此提供电子照明强度的改变。

11.根据权利要求6所述的STEM系统，其中，所述电子束扫描系统被控制成使得每次所述扫描的速度或模式中至少之一在所述扫描的行程中改变，由此提供电子照明强度的改变。

12.根据权利要求6所述的STEM系统，其中，射束调制器子系统包括高速射束调制器子系统，其中所述高速射束调制器子系统用于改变至电子枪的电流输出或电压输出中至少之一以帮助产生电子照明强度的改变。

13.根据权利要求7所述的STEM系统，其中，所述TEM相机获得通过每个所述掩模所产生的衍射图案。

14.根据权利要求8所述的STEM系统，其中，所述EELS提供损失能谱。

15.根据权利要求9所述的STEM系统，其中，所述EDX光谱仪提供X射线发射谱。

16.根据权利要求6所述的STEM系统，其中，所述电子束扫描系统还包括探针形成透镜和用于对每次所述电子束扫描的运动进行聚焦和控制的多个扫描线圈。

17.根据权利要求6所述的STEM系统，其中，所述计算机被配置为通过利用与压缩感测相关联的数学技术执行重建，来对所述数据集进行数学分析。

18.一种用于执行扫描透射电子显微术(STEM)的方法，包括：

在基本上整个样本之上执行多次电子束扫描，其中每次所述扫描都在所述扫描的行程中改变电子照明强度；

从所述扫描中获得图像，其中所述图像具有与包括所述图像的所有可用像素的选定子集或线性组合中仅至少之一有关的信息，并且根据所述信息生成数据集；以及

对所述数据集进行数学分析来预测实际信息，其中所述实际信息是所述图像的每个像素会生成的信息。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述扫描的行程中所述改变电子照明强度是通过改变电源的功率输出来实现的，其中所述电源向产生所述电子束扫描的电子枪供电。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述扫描的行程中的所述改变电子照明强度包括在所述扫描的行程中改变每次电子束扫描的速度或模式中至少之一，由此提供电子照明强度的改变。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电子照明强度是在每次所述扫描的行程中随机改变的。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，对所述数据集进行所述数学分析包括利用与压缩感测相关联的数学技术对所述数据集执行重建。