CN107331594B - 超快透射电镜系统和用于其的自动采集和图像批处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超快透射电镜系统和用于其的自动采集和图像批处理方法。一种超快透射电子显微系统包括：激光源，用于产生探测激光和激发激光；透射电子显微镜，包括电子枪、电子加速器和成像器；三维电动位移台，用于将所述激发激光引导至所述样品上；一维电动位移台，用于改变所述激发激光的光程；以及控制装置，通过接口连接到所述激光源、所述透射电子显微镜、所述三维电动位移台和所述一维电动位移台以控制其操作，所述控制装置包括：激光电子束共轴模块，用于使所述激发激光与所述探测电子束辐照在所述样品上的同一位置处；自动采集模块，用于自动采集多张透射电镜图像；以及图像批处理模块，用于对所采集的多张透射电镜图像执行批量处理。

Description

超快透射电镜系统和用于其的自动采集和图像批处理方法

技术领域

本发明总体上涉及透射电子显微领域，更特别地，涉及一种超快透射电子显微镜(也称为“透射电镜”)系统以及用于该系统的自动采集和图像批处理方法。

背景技术

自20世纪60年代以来，电镜制造技术不断提高，尤其是场发射电子枪的应用促进了透射电子显微学实验技术的完善，同时也推动了理论研究更加深入的探索。然而，仅仅提高空间分辨率并不能满足结构动力学的实验要求，普通相机的采集速率一般只能达到秒至毫秒量级，人们需要一种更加快速的方式来捕捉这些微观结构的变化，并且在提高时间分辨率的同时又不会影响所采集的图像的清晰度。研究人员已经开始尝试在普通三维电子学的基础上增加时间维度，这预示着4D电子显微学的逐渐兴起。目前最新的超快透射电子显微系统通过泵浦探测(pump-probe)技术而已经可以在亚埃尺度空间分辨率的基础上，将时间分辨率提高到皮秒(10^-12秒)甚至更高的水平。

2015年10月，国内首台超快透射电子显微系统设备研制项目成功验收，关于其的详细信息可参见下面列出的相关非专利文献1和2。超快透射电子显微系统是一种基于4D电子显微学建立的新型电子显微技术，也是目前国际上研究超快结构动力学和电子动力学的前沿领域，尤其是其极高的时间分辨率和空间分辨率的技术特点，对于研究物理、化学、生物以及材料等学科的探索有及其重要的意义。

由于超快透射电子显微系统需要很高的时间分辨率来清晰地展现一个动力学过程，所以每一次都需要尽可能将采集工作完成得细致，以至于数据量也会相对很大。如果采取传统的图像采集和处理方式，往往效率会很低，同时在处理图像的过程中也很容易造成随机误差，影响后续分析工作。

非专利文献1：Cao G,Sun S,Li Z,et al.Clocking the anisotropic latticedynamics of multi-walled carbon nanotubes by four-dimensional ultrafasttransmission electron microscopy[J].Scientific reports,2015,5

非专利文献2：Sun S,Wei L,Li Z,et al.Ultrafast transmission electronmicroscopy on dynamic process of a CDW transition in 1T-TaSe2[J].arXivpreprint arXiv:1505.05294,2015

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种超快透射电子显微系统以及用于该系统的自动采集和图像批处理方法，具体针对超快透射电子显微系统采集前期激光合轴的采集过程，超快实验过程中的自动化采集过程以及采集结束后对图像数据批量处理等问题提出解决方案。

本发明一示范性实施例提供一种超快透射电子显微系统，其可包括：激光源，用于发射激光，所述激光经分束器被分成探测激光和激发激光；透射电子显微镜，包括电子枪、电子加速器和成像器，所述探测激光入射到所述电子枪的阴极以激发探测电子束，所述探测电子束经所述电子加速器加速后穿过安装在所述透射电子显微镜内的样品，入射到所述成像器上以形成透射电镜图像；三维电动位移台，用于将所述激发激光引导至所述样品上；一维电动位移台，用于改变所述激发激光的光程；以及控制装置，通过接口连接到所述激光源、所述透射电子显微镜、所述三维电动位移台和所述一维电动位移台以控制其操作，所述控制装置包括：激光电子束共轴模块，用于使所述激发激光与所述探测电子束辐照在所述样品上的同一位置处；自动采集模块，用于自动采集多张透射电镜图像；以及图像批处理模块，用于对所采集的多张透射电镜图像执行批量处理。

在一些示例中，所述激光电子束共轴模块配置为：交替执行下面的步骤一和步骤二以获得多张图像：步骤一，控制所述三维电动位移台来改变所述激发激光在所述样品上的入射位置，步骤二，控制所述成像器来获得图像；以及分析所述多张图像的强度变化以确定所述激发激光和所述探测电子束的共轴位置。

在一些示例中，改变所述激发激光在所述样品上的入射位置包括沿彼此垂直的两个方向改变入射位置以获得两组图像数据。

在一些示例中，所述自动采集模块配置为交替执行下面的步骤一和步骤二以获得多张图像：步骤一，控制所述一维电动位移台以改变所述激发激光的光程；以及步骤二，控制所述成像器来采集图像。

在一些示例中，所述图像批处理模块包括噪声处理子模块、衍射斑定位子模块、衍射斑批量处理子模块和高分辨批量处理子模块中的一个或多个。

本发明另一示范性实施例提供一种用于超快透射电子显微系统的自动采集和图像批处理方法，所述超快透射电子显微系统包括：激光源，用于发射激光，所述激光经分束器被分成探测激光和激发激光；透射电子显微镜，包括电子枪、电子加速器和成像器，所述探测激光入射到所述电子枪的阴极以激发探测电子束，所述探测电子束经所述电子加速器加速后穿过安装在所述透射电子显微镜内的样品，入射到所述成像器上以形成透射电镜图像；三维电动位移台，用于将所述激发激光引导至所述样品上；一维电动位移台，用于改变所述激发激光的光程；以及控制装置，通过接口连接到所述激光源、所述透射电子显微镜、所述三维电动位移台和所述一维电动位移台以控制它们来执行所述方法。所述方法包括：执行激光电子束共轴步骤以使所述激发激光与所述探测电子束辐照在所述样品上的同一位置处；执行自动采集步骤以自动采集多张透射电镜图像，所述自动采集步骤包括交替地执行以下两个步骤：步骤一，控制所述一维电动位移台以改变所述激发激光的光程；以及步骤二，控制所述成像器来采集图像；以及对所采集的多张图像执行批处理。

在一些示例中，所述激光电子束共轴步骤包括：交替执行下面的步骤一和步骤二以获得多张图像：步骤一，控制所述三维电动位移台来改变所述激发激光在所述样品上的入射位置，步骤二，控制所述成像器来采集图像，其中，改变所述激发激光在所述样品上的入射位置包括沿彼此垂直的两个方向改变入射位置以获得两组图像数据；以及分析所述多张图像的强度变化以确定所述激发激光和所述探测电子束的共轴位置。

在一些示例中，执行自动采集步骤还包括接收用户输入的自动采集参数，所述自动采集参数包括以下参数中的一个或多个：采集周期数、所述一维电动位移台的初始位置和步进距离，所述成像器的曝光时间、每周期曝光次数和采集图像像素值。

在一些示例中，对所采集的多张图像执行批处理包括：打开多张图像，并且自动为每张图像分配id；针对位于最顶层的图像设置批处理参数；以及利用所设置的参数，按照所述id的顺序，对每张图像执行批处理。

在一些示例中，对每张图像执行批处理包括执行噪声处理、衍射斑定位处理、衍射斑批量处理和高分辨批量处理中的一个或多个。所述噪声处理包括批量平滑滤波处理、批量扣除暗场像处理、批量平均场处理和批量归一化图像强度处理中的一个或多个。所述衍射斑定位处理包括批量测定衍射斑中心位置处理、批量测定衍射斑间距处理、批量测定垂直晶面膨胀收缩比例处理和批量区域强度积分处理中的一个或多个。所述衍射斑批量处理包括六次对称衍射图像批量叠加处理、四次对称衍射图像批量叠加处理、图像批量叠加处理、第一环形法向积分处理、第二环形法向积分处理、批量区域截取处理和批量定位截取处理中的一个或多个。所述高分辨批量处理包括批量等宽积分处理、批量测定图像相关性系数处理、批量图像偏移校正处理和批量另存为tif图像格式处理中的一个或多个。

上述方案实现了诸多有益的效果，例如，通过自动采集及批量处理的方法，能有效解决在传统采集方法下所带来的随机误差，并有效的提高工作效率，节省人力，且简单易行，同时对于仪器长时间工作造成的环境改变、稳定性降低等因素有一定的改善作用。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的超快透射电子显微系统的框图。

图2示出图1的超快透射电子显微系统中包括的控制装置的框图。

图3示出根据本发明一实施例的激光电子束共轴操作的流程图。

图4示出根据本发明一实施例的自动采集操作的流程图。

图5示出六次对称衍射图像批量叠加处理中的衍射斑排序的示意图。

图6示出四次对称衍射图像批量叠加处理中的衍射斑排序的示意图。

图7示出第一环形法向积分处理中的积分算法的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出根据本发明一实施例的超快透射电子显微系统100的框图。如图1所示，超快透射电子显微系统100可包括激光器10、第一和第二三维电动位移台20和22、一维电动位移台30、透射电子显微镜40、以及控制装置60。虽然未示出，但是控制装置60能够连接到超快透射电子显微系统100的其他部件以控制其操作。

下面将对各个部件进行详细描述。

激光器10可用于发射预定波长的激光。例如，激光器10可以采用Spectra-Physics公司的商品名为Spirit的高Q激光器，其可发射波长为1040nm，脉冲频率为1Hz至1MHz的激光。激光器10也可以采用其他激光器。激光器10可以连接到控制装置60，从而在控制装置60的控制下开始和停止发射激光。控制装置60还可以控制激光器10发射的激光的其他参数，例如强度、脉冲频率等。

激光器10发射的激光可经由分束器11而分成两束，一束为探测激光12，其被引导至透射电子显微镜40中的电子枪42的阴极上以产生探测电子束(未示出)，另一束为激发激光13，其被引导至安装在透射电子显微镜40中的样品46的待测区域上。在探测激光12和激发激光13的光路上，可以设置有各种光学元件，例如反射镜、透镜等。

第一三维电动位移台20可以设置在激发激光13的光路中以控制激发激光13在样品46上的入射位置。三维电动位移台20上可以设置有平凸透镜，平凸透镜可以使入射平行光汇聚于焦点上，三维电动位移台20还可包括电动控制器(未示出)，电动控制器可以连接到控制装置60以接收控制指令，并且根据控制指令来调节三维电动位移台，以此带动三维电动位移台上的平凸透镜在位移台三个轴方向上的移动，从而控制激发激光13在样品46上的入射位置，并且可以使该入射位置在样品46的表面上移动。例如，三维电动位移台20可以使用Thorlabs公司的带有TDC001电动控制器的三维电动位移台，或者也可以使用其他三维电动位移台。

第二三维电动位移台22可以设置在探测激光12的光路中以控制探测激光12在电子枪42的阴极上的入射位置。在实际操作中，当把第二三维电动位移台22设置到预定位置以使得探测激光12入射到电子枪42的阴极上之后，一般不需要频繁地调节第二三维电动位移台22。第二三维电动位移台22可采用与第一三维电动位移台20相同的构造，此处不再重复描述。

一维电动位移台30也可以设置在激发激光13的光路中，以调节激发激光13的光程，进而调节激发激光13与探测激光12之间的光程差。一维电动位移台30也可以包括有电动控制器(未示出)，该电动控制器也可以连接到控制装置60以接收控制指令，并且根据控制指令来调节一维电动位移台的移动，以改变激发激光13的光程。例如，一维电动位移台30可以使用Newport公司的长程线性滑台和ESP301电动控制器，或者也可以使用其他一维电动位移台。

透射电子显微镜40可具有壳体41以及设置在壳体41中的电子枪42和电子加速器44。壳体41上可以设置有窗口43和45，其分别用于接收探测激光12和激发激光13。如前所述，探测激光12可以被引导至电子枪42的阴极以产生探测电子束，而激发激光13可以被引导至安装在壳体41中的样品46的待测区域上。电子枪42产生的电子束可被电子加速器44加速并且向成像器49移动，从而撞击到待测样品46上。穿过待测样品46的透射电子继续向成像器49移动，入射在成像器49上从而完成图像采集。成像器49可以是例如CCD。透射电子显微镜40还可以包括设置在壳体41中在成像器49上方的观察屏48，电子束入射在观察屏48上可形成图像，壳体41上可以设置有窗口47以观察在观察屏48上的成像，由此可以大致了解成像结果。当需要使用成像器49来采集图像时，可以将观察屏48移开，使电子束直接入射到成像器49上。虽然未示出，但是透射电子显微镜40也可以连接到控制装置60，从而在控制装置60的控制下进行操作。透射电子显微镜40可以采用JEOL公司的JEM-2000EX型透射电镜，其中成像器49可以采用Gatan公司的Orius SC200型CCD，并且可以通过Gatan DigitalMicrograph软件来控制透射电子显微镜40以进行图像采集和处理工作。

控制装置60可连接到激光器10、三维电动位移台20、一维电动位移台30和透射电子显微镜40以控制它们的操作，从而实现下面描述的过程。控制装置60可以通过各种接口连接到其他部件，包括但不限于串行接口、并行接口、USB接口、1394接口等。控制装置60还可以包括输入和输出单元，输入单元可以是例如键盘，输出单元可以是例如显示器、扬声器、打印机等。控制装置60可以是通用计算机，其通过运行特定的程序来实现本申请公开的功能，或者控制装置60也可以是其他专用控制装置。

图2示出图1的超快透射电子显微系统100中包括的控制装置60的框图。如图2所示，控制装置60可包括共轴模块61、自动采集模块63和图像批处理模块65，其中图像批处理模块65可进一步包括噪声处理子模块66、衍射斑定位子模块67、衍射斑批量处理子模块68和高分辨率批量处理子模块69。将会在下面详细描述各个模块和子模块的操作。

图3示出根据本发明一实施例的可利用共轴模块61执行的激光电子束共轴操作的流程图。

如图3所示，开始时，在步骤S101，可以将激发激光13大致移动到样品46的待测区域附近。在一些实施例中，例如可以根据激光轰击在样品表面所造成的现象来确定安装在样品杆上的样品46的待测区域的大致位置，或者例如可以根据透射电子显微镜的历史成像结果来大致确定激发激光造成样品激发区域所在位置。控制装置60可以发送控制指令给三维电动位移台20的电动控制器，通过三维电动位移台20的移动来将激发激光13的入射位置粗略地移动到所确定的样品待测区域。此时，可以降低透射电子显微镜40的热发射电子束电流，开启探测激光12，使其产生适当强度的探测电子束。接下来，在步骤S102，可以在三维电动位移台20与控制装置60之间建立通信联系以生成合轴自动采集程序。例如，可以通过编译动态链接库，将用于三维电动位移台20的ActiveX控件植入控制装置60的控制软件Gatan Digital Micrograph中，从而生成合轴自动采集程序。合轴自动采集程序主要包括三维电动位移台20的ActiveX控件以及单一轴向自动采集初始参数输入框，例如可包括：三维电动位移台20的初始位置、周期数、步进长度、以及透射电子显微镜40内部的成像器49(例如，CCD)的曝光时间和图像像素值等。接下来，可以在步骤S103设置这些参数，例如可以由用户通过鼠标、键盘等输入这些参数。然后，可以根据这些参数来进行合轴自动采集过程，由透射电子显微镜40的成像器49执行自动采集。自动采集过程可包括：1)将三维电动位移台20移动至初始位置；2)根据周期数循环交替完成成像器49的图像采集(步骤S104)和位移台步进(步骤S105)指令，交替过程中不会出现冲突，并且在采集过程中可终止采集操作。在该过程中，可以完成彼此垂直的两个轴例如X轴和Y轴方向上的自动采集，获得两组图像数据，并且可以将所采集的数据保存在指定文件夹中。当在步骤S106处判定采集结束时，可以执行步骤S107，分析这两组图像的强度变化曲线，从衍射斑积分强度最强处确定探测电子束共轴位置，进而可以将三维电动位移台20移动至该位置处，从而完成激发激光13与探测电子束的共轴操作。

图4示出根据本发明一实施例的可由自动采集模块63执行的自动采集操作的流程图。

当完成上述激光电子束共轴操作从而使激发激光13和探测电子束共轴之后，可以使用自动采集模块63来对样品进行超快激发自动采集工作。如图4所示，首先在步骤S201中，开启探测激光12和激发激光13。接着在步骤S202中，可以在一维电动位移台30与控制装置60之间建立通信联系以生成自动采集程序。例如，可以通过编译动态链接库(DLL)文件，使透射电子显微镜40的控制软件Gatan Digital Micrograph能通过接口对光程调节一维电动位移台30发送控制指令，并且通过编辑脚本文件来生成自动采集控制程序，所述自动采集控制程序包括以下初始设定参数输入框：光程调节一维电动位移台30的初始位置、周期数、步进长度、以及透射电镜40内部的成像器49(例如，CCD)的曝光时间、周期曝光次数和采集图像像素参数等。接下来，可以在步骤S203中设置这些参数，例如可以由用户通过鼠标、键盘等输入这些参数。然后，可以根据这些参数来进行图像自动采集过程。具体而言，在步骤S204中，由透射电子显微镜40的成像器49采集图像，然后在步骤S205中，由一维电动位移台30执行步进指令，以调整探测激光12与激发激光13之间的光程差。步骤S204和S205可以交替执行多次，在交替执行过程中二者不会出现冲突现象，且在采集过程中可终止采集操作。在完成了所设置的步进过程后，在步骤S206处判断采集结束。在步骤S207中，可以在指定的位置获得所采集的全部图像数据。

返回参照图2，图像批处理模块65可包括噪声处理子模块66、衍射斑定位子模块67、衍射斑批量处理子模块68和高分辨率批量处理子模块69。下面将详细描述各个子模块的操作。

噪声处理子模块66可配置为执行如下处理：批量平滑滤波处理、批量扣除暗场像处理、批量平均场处理、以及批量归一化图像强度处理。

衍射斑定位子模块67可配置为执行如下处理：批量测定衍射斑中心位置处理、批量测定衍射斑间距处理、批量测定垂直晶面膨胀收缩比例处理、以及批量区域强度积分处理。

衍射斑批量处理子模块68可配置为执行如下处理：六次对称衍射图像批量叠加处理、四次对称衍射图像批量叠加处理、图像批量叠加处理、第一环形法向积分处理、第二环形法向积分处理、批量区域截取处理、以及批量定位截取处理。

高分辨批量处理子模块69可配置为执行如下处理：批量等宽积分处理、批量测定图像相关性系数处理、批量图像偏移校正处理、以及批量另存为tif图像格式处理。

在一些实施例中，各个子模块66、67、68和69可包括例如用于执行上述各个处理的脚本程序，可以通过对多个图像文件执行脚本程序来完成相应的批量处理。下面描述执行图像批量处理的示例。

首先，可以将一系列图像在超快电子透射显微镜的控制软件例如Gatan DigitalMicrograph软件中打开，并且为打开的图像自动分配一个id用来识别图像的身份。接下来，可以对位于最顶层的图像记录所需批量处理操作的参数，例如所需批量处理操作的像素位置、用于作为批量处理比较的阈值等，可以将所需记录的参数输入到各子模块下批量处理程序初始设定参数输入框中。在开始自动图像批量处理过程中，程序可以根据记录的批量处理设定参数以及程序内部的算法依次对所需处理的图像进行处理，处理顺序与图像打开时所分配的id顺序一致。在处理的过程中，软件可以停止对外部操作的响应，或者可以仅对特定外部操作例如用户输入的暂停或终止命令进行响应。

控制装置60可以按照上述模式，调用各个子模块或者各个子模块所包含的脚本程序来执行批量处理，接下来将对各个脚本程序所涉及的算法进一步阐述。

批量平滑滤波处理是在原有的邻域平均滤波法基础上进行了一些改进，设f(i,j)为给定的含有噪声的图像，经过邻域平均处理后的图像g(i,j)可表示为：

其中，M为所取邻域中各邻近像素的坐标，也代表邻近像素的个数，N为邻域中剩余像素的数目，例如目前算法中常用的领域尺寸为3*3的区域，一共有9个像素，则N是减去中心像素pix(i,j)、最大像素max(i,j)和最小像素min(i,j)后剩余的像素数目，为6，pix(i,j)为该区域中的中心像素的强度，max(i,j)为该区域中的像素强度最大值，min(i,j)为该区域中的像素强度最小值。进一步，通过判定g(i,j)与f(i,j)*Tp的关系，来决定是否改变f(i,j)，其中Tp为阈值比例。最后将图像g(i,j)以原图像名称后加“-nobkg”为后缀，另存为dm4格式图像文件，输出至指定文件夹。

在批量扣除暗场像处理中，设f(i,j)为给定的含有噪声的图像，关闭电子束下测得暗场像为g(i,j)，则经过扣除暗场像的图像为f(i,j)-g(i,j)。最后将原图像名称后加“-bgkcorrect”为后缀，另存为dm4格式图像文件，输出至指定文件夹。

在批量平均场处理中，设未经CCD处理的原始图像为f(i,j)，采集得到的平均场像为g(i,j)，则经过批量平均场处理后的图像为f(i,j)/g(i,j)。最后将原图像名称后加“-bgkcorrect”为后缀，另存为dm4格式图像文件，输出至指定文件夹。

在批量归一化图像强度处理中，设f(i,j)为给定的图像，通过Gatan DigitalMicrograph软件长方形区域选框框取作为归一化标准的区域，并点击“save area(保存区域)”储存该区域位置，通常作为归一化区域选在背底某一区域或整张图片，该区域积分后的强度为I1，则后续图像会根据第一张图像强度作归一化处理，后序图像为g(i,j)，其数学表达式为：

g(i,j)＝f(i,j)*In/I1

其中，In为后续图像的该区域的积分强度。

在批量测定衍射斑中心位置处理中，首先输入批量处理图像张数，并测量给定衍射斑图像中衍射斑的背底阈值，其中背底阈值为这样的值，当像素值小于该值时，则在计算时像素作为背底被刨除。将这些值输入到程序中，然后框取该衍射斑并保存其位置，点击开始按钮，则程序将根据如下公式计算衍射斑位置：

其中X为衍射斑某一坐标轴，I为像素强度，b_l为背底阈值。最后将得出的衍射斑中心位置输出。

批量测定衍射斑间距处理为在测定衍射斑中心位置的基础上，计算两衍射斑之间的距离，并且输出所得结果。

批量测定垂直晶面膨胀收缩比例处理包括通过测定垂直晶面衍射斑间距离的比值，来获得并且输出膨胀收缩比。

批量区域强度积分处理可包括，首先输入批量处理张数，框取需要进行强度积分的区域并且保存，然后开始程序以对该区域进行强度积分，最后输出结果。

六次对称衍射图像批量叠加处理主要用于六次对称的衍射图像。该处理可包括：

步骤一，输入批量处理图像张数，并且输入衍射图像背底阈值；

步骤二，框取衍射斑区域并保存，进一步，依次框定三个连续一级衍射斑，并分别保存为point1，point2和point3；

步骤三，可选定所需叠加的一级至五级衍射斑，衍射斑排序顺序可以例如如图5所示，可在脚本程序中扣除不需要的衍射斑；

步骤四，选取叠加区域，叠加区域可根据所框定的区域设定叠加图片的大小，但与所框定位置无关；以及

步骤五，点击开始按钮，程序将开始批量处理。待处理程序结束时，在指定文件夹下将得到一系列以“frame-”为前缀命名的图像文件，这些图像为叠加区域叠加后所得，同时程序结束后还将输出一系列以“added-”为前缀命名的图像文件，这些图像为将叠加区域叠加至原图片左上角的图像数据。

四次对称衍射图像批量叠加处理与六次对称衍射图像批量叠加处理的步骤一致，可选定叠加一级至八级衍射斑，其衍射斑排序可以例如如图6所示。

图像批量叠加处理包括将一系列尺寸一致的图像相叠加，并且输出以“AddImage-”为前缀命名的图像文件。

在第一环形法向积分处理中，输入图像单位可以为1/nm，表示衍射图像。具体操作步骤如下：

步骤一，输入批量处理图像张数，并且输入衍射图像背底阈值；

步骤二，输入需要积分的环形内半径和外半径，例如如图7所示，内半径为70，外半径为80；

步骤三，储存衍射斑位置，用于计算环形中心位置，算法可以与批量测定衍射斑中心位置相同；

步骤四，框取衍射斑位置或整图位置并且保存，用于计算归一化各图像强度值；以及

步骤五，开始批量处理，程序将环形均分成例如1000份，并沿法向积分，将结果以文本文件的形式输出至指定文件夹下。其积分算法可以例如如图7所示，当积分区域像素未完全包含在内时，将以单个像素包含百分比乘以像素值作为该像素的强度，叠加至该区域总强度。

第二环形法向积分处理是在第一环形法向积分处理的基础上，以π/3为周期积分360度，同时增加积分起始角度输入功能。

批量区域截取处理包括框取所需区域，然后自动地批量截取其他图片中的相同位置，并且输出“digged-”为前缀命名的截取图像文件。

批量定位截取处理为以透射斑或衍射斑为中心进行批量截取的过程。具体操作步骤可以如下：

步骤一，输入批量处理张数，并且输入衍射图像背底阈值；

步骤二，框取透射斑或衍射斑，并通过批量测定衍射斑中心位置算法得出透射斑或衍射斑中心；

步骤三，框取截取区域和归一化区域；以及

步骤四，开始批量处理，程序根据衍射斑中心截取等大区域并对输出图像做归一化处理。处理运行结束后会输出一组以“orderly-”为前缀命名的图像文件。

批量等宽积分处理可用于处理超快激发过程中导致的波浪形衬度变化，其操作步骤可以如下：

步骤一，输入批量处理张数，并且可选地，可以选择输出文件目录或者使用默认目录；

步骤二，选定积分方向，主要分为左上至右下或右上至左下，可利用框取区域对角线方向确定积分长度；

步骤三，框取归一化区域并储存该区域；以及

步骤四，开始批量处理，处理结束后会输出以“batch deal with HRTEM.txt”命名的处理结果文本文件。

批量测定图像相关性系数处理可通过选取特征区域，以第一张图像为基准，测定后续图像与其相关性系数，相关性系数可由如下公式表示：

其中，I_x，y(t)为(x,y)处在t时刻的像素强度，为I_x,y(t)的平均值。

批量图像偏移校正处理可通过定位图像的特征区域，来补偿高分辨图像漂移，其操作步骤可以如下：

步骤一，输入批量处理张数和漂移系数，其中漂移系数为搜寻范围与特征区域比值加1，例如漂移系数为1.0时，搜寻范围为特征区域边长的2倍；

步骤二，框取特征区域，其中特征区域应具有满足如下条件的特征：在搜寻范围内，并且存在于所有图像中；具有唯一性，避免在同一张图像中含有多处相似位置；以及尽可能地远离边界；以及

步骤三，开始批量处理，待处理程序结束时，将一系列以“offset-”为前缀命名的输出图像保存到指定或默认文件夹下，同时在输出图像tags标签中含有偏移处理位置。

批量另存为tif图像格式处理可将多个原文件批量转换为tif格式文件并且保存到指定或默认文件夹下。

应理解，虽然在前面描述的一些实施例中，一些模块描述为可以通过软件来实现，但是本发明不限于此。在另一些实施例中，这些模块也可以通过硬件、硬件与软件的结合、或者固件来实现，同样可以实现本发明的功能。例如，在一些实施例中，上面描述的各种处理可以通过专用硬件来实施。此外，这些框图中的多个框可以彼此组合，或者一个框可以分离成子框，以实施上面描述的本发明的原理。因此，这里的描述可以支持这里描述的功能框的任何可行的组合或分离或者进一步定义。

上面利用许多具体细节描述了本发明的若干示例性实施例，但是应理解，本发明不限于这些实施例。例如，上面按顺序描述的若干步骤可以按不同的顺序执行，或者多个步骤可以同时执行。在另一些实施例中，可以执行更多或者更少的步骤。因此，在不偏离本发明的原理的情况下，本领域技术人员可以对这些实施例进行形式和细节上的改变。本发明的范围由所附权利要求及其等价物定义。

Claims (10)

1.一种超快透射电子显微系统，包括：

激光源，用于发射激光，所述激光经分束器被分成探测激光和激发激光；

透射电子显微镜，包括电子枪、电子加速器和成像器，所述探测激光入射到所述电子枪的阴极以激发探测电子束，所述探测电子束经所述电子加速器加速后穿过安装在所述透射电子显微镜内的样品，入射到所述成像器上以形成透射电镜图像；

三维电动位移台，用于将所述激发激光引导至所述样品上；

一维电动位移台，用于改变所述激发激光的光程；以及

控制装置，通过接口连接到所述激光源、所述透射电子显微镜、所述三维电动位移台和所述一维电动位移台以控制其操作，所述控制装置包括：

激光电子束共轴模块，用于使所述激发激光与所述探测电子束辐照在所述样品上的同一位置处；

自动采集模块，用于自动采集多张透射电镜图像；以及

图像批处理模块，用于对所采集的多张透射电镜图像执行批量处理。

2.如权利要求1所述的超快透射电子显微系统，其中，所述激光电子束共轴模块配置为：

交替执行下面的步骤一和步骤二以获得多张图像：步骤一，控制所述三维电动位移台来改变所述激发激光在所述样品上的入射位置，步骤二，控制所述成像器来获得图像；以及

分析所述多张图像的强度变化以确定所述激发激光和所述探测电子束的共轴位置。

3.如权利要求2所述的超快透射电子显微系统，其中，改变所述激发激光在所述样品上的入射位置包括沿彼此垂直的两个方向改变入射位置以获得两组图像数据。

4.如权利要求1所述的超快透射电子显微系统，其中，所述自动采集模块配置为交替执行下面的步骤一和步骤二以获得多张图像：

步骤一，控制所述一维电动位移台以改变所述激发激光的光程；以及

步骤二，控制所述成像器来采集图像。

5.如权利要求1所述的超快透射电子显微系统，其中，所述图像批处理模块包括噪声处理子模块、衍射斑定位子模块、衍射斑批量处理子模块和高分辨批量处理子模块中的一个或多个。

6.一种用于超快透射电子显微系统的自动采集和图像批处理方法，所述超快透射电子显微系统包括：

激光源，用于发射激光，所述激光经分束器被分成探测激光和激发激光；

透射电子显微镜，包括电子枪、电子加速器和成像器，所述探测激光入射到所述电子枪的阴极以激发探测电子束，所述探测电子束经所述电子加速器加速后穿过安装在所述透射电子显微镜内的样品，入射到所述成像器上以形成透射电镜图像；

三维电动位移台，用于将所述激发激光引导至所述样品上；

一维电动位移台，用于改变所述激发激光的光程；以及

控制装置，通过接口连接到所述激光源、所述透射电子显微镜、所述三维电动位移台和所述一维电动位移台以控制它们来执行所述方法，所述方法包括：

执行激光电子束共轴步骤以使所述激发激光与所述探测电子束辐照在所述样品上的同一位置处；

执行自动采集步骤以自动采集多张透射电镜图像，所述自动采集步骤包括交替地执行以下两个步骤：步骤一，控制所述一维电动位移台以改变所述激发激光的光程；以及步骤二，控制所述成像器来采集图像；以及

对所采集的多张图像执行批处理。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述激光电子束共轴步骤包括：

交替执行下面的步骤一和步骤二以获得多张图像：步骤一，控制所述三维电动位移台来改变所述激发激光在所述样品上的入射位置，步骤二，控制所述成像器来采集图像，其中，改变所述激发激光在所述样品上的入射位置包括沿彼此垂直的两个方向改变入射位置以获得两组图像数据；以及

分析所述多张图像的强度变化以确定所述激发激光和所述探测电子束的共轴位置。

8.如权利要求6所述的方法，其中，执行自动采集步骤还包括接收用户输入的自动采集参数，所述自动采集参数包括以下参数中的一个或多个：采集周期数、所述一维电动位移台的初始位置和步进距离，所述成像器的曝光时间、每周期曝光次数和采集图像像素值。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，对所采集的多张图像执行批处理包括：

打开多张图像，并且自动为每张图像分配id；

针对位于最顶层的图像设置批处理参数；以及

利用所设置的参数，按照所述id的顺序，对每张图像执行批处理。

10.如权利要求9所述的方法，其中，对每张图像执行批处理包括执行噪声处理、衍射斑定位处理、衍射斑批量处理和高分辨批量处理中的一个或多个，

其中，所述噪声处理包括批量平滑滤波处理、批量扣除暗场像处理、批量平均场处理和批量归一化图像强度处理中的一个或多个，

其中，所述衍射斑定位处理包括批量测定衍射斑中心位置处理、批量测定衍射斑间距处理、批量测定垂直晶面膨胀收缩比例处理和批量区域强度积分处理中的一个或多个，

其中，所述衍射斑批量处理包括六次对称衍射图像批量叠加处理、四次对称衍射图像批量叠加处理、图像批量叠加处理、第一环形法向积分处理、第二环形法向积分处理、批量区域截取处理和批量定位截取处理中的一个或多个，且

所述高分辨批量处理包括批量等宽积分处理、批量测定图像相关性系数处理、批量图像偏移校正处理和批量另存为tif图像格式处理中的一个或多个。