CN109142399A - 一种成像系统及样品探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成像系统，包括：显微电子计算机断层扫描(micro‑CT)子系统、样品加工子系统和扫描电子显微镜(SEM)和处理器；所述micro‑CT子系统包括：X射线源和X射线探测器，用于获取样品的三维图像；所述样品加工子系统包括：聚焦离子束子系统和机械切削装置；所述聚焦离子束子系统以第一加工方式对所述样品进行处理，所述机械切削装置以第二加工方式对所述样品进行处理，得到目标区域的目标截面；所述SEM，位于所述样品的上方，用于获取所述目标截面的二维图像；所述处理器，用于对所述二维图像进行三维重构，得到所述样品的三维成像。本发明还公开了一种样品探测方法。

Description

一种成像系统及样品探测方法
技术领域
本发明涉及扫描电子显微镜技术，尤其涉及一种成像系统及样品探测方法。
背景技术
随着科研及工业的发展，对样品的观测需求越来越高；特别是在生物及材料研究领域，对样品的微观结构(例如神经细胞中的囊泡)的观测要求越来越高，以科学研究中需要获得样品的高分辨率三维图像(3D image)为例，在脑科学研究中，需要获得神经元细胞三维图，找出神经细胞的相互连接方式。
相关技术中，对样品进行三维成像的方法通常包括：共聚焦显微镜、X射线断层扫描(Computed Tomography,CT)等。然而上述方法通常具有较低的分辨率(约几十至几百纳米量级)；扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy，SEM)虽然可以获得更高的分辨率(几纳米甚至亚纳米量级)，但是电子的穿透深度只有微米量级，通常不能直接对样品进行三维成像，特别是不能对样品内部的特定感兴趣区域(Region of Interest，ROI)进行直接观测。因此，对样品进行高分辨率的探测成像以及高穿透深度的探测成像尚无有效解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种成像系统及样品探测方法，能够对样品进行分辨率的探测成像以及高穿透深度的探测成像。
本发明实施例提供一种成像系统，包括：micro-CT子系统、样品加工子系统和SEM和处理器；其中，
所述micro-CT子系统包括：X射线源和X射线探测器，用于获取样品的三维图像；
所述样品加工子系统包括：聚焦离子束聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)子系统和机械切削装置；所述聚焦离子束子系统以第一加工方式对所述样品进行处理，所述机械切削装置以第二加工方式对所述样品进行处理，得到目标区域的目标截面；
所述SEM，位于所述样品的上方，用于获取所述目标截面的二维图像；
所述处理器，用于对所述二维图像进行三维重构，得到所述样品的三维成像。
上述方案中，所述处理器，还用于确定所述三维图像的第一区域以及所述第一区域的位置信息；
所述聚焦离子束子系统和/或所述机械切削装置，还用于对所述样品中除所述第一区域以外的区域进行处理，以使所述第一区域暴露或即将暴露；
所述micro-CT子系统，还用于获取处理后的样品的三维图像；
所述处理器，还用于基于所述处理后的样品的三维图像对所述第一区域进行导航修正，得到第二区域，并确定所述第二区域的位置信息为所述目标区域的位置信息；所述目标区域的位置信息用于所述样品加工子系统对所述样品进行处理。
上述方案中，所述样品设置于样品台上，所述样品台能够进行五自由度的运动。
上述方案中，所述聚焦离子束子系统的轴线与所述样品的垂直方向之间的夹角为θ，0≤θ≤180°。
上述方案中，所述机械切削装置为：
玻璃刀具、不锈钢刀具、金刚石刀具或显微切片机。
上述方案中，所述SEM还包括：能谱仪EDS，所述EDS用于获取所述样品的能谱图。
上述方案中，所述X射线源、所述X射线探测器和所述样品设置于同一条直线上，且所述X射线源和所述X射线探测器分别位于所述样品的两侧。
本发明实施例还提供一种样品探测方法，应用于成像系统，所述成像系统包括：micro-CT子系统、由聚焦离子束子系统和机械切削装置构成的样品加工子系统、SEM以及处理器；所述方法包括：
所述micro-CT子系统获取样品的三维图像；
所述处理器基于所述三维图像获取目标区域的位置信息；
基于所述位置信息利用所述聚焦离子束子系统和/或所述机械切削装置对所述样品进行多次处理，以使所述目标区域的目标截面暴露；
所述SEM获取多次处理得到的多个目标截面的二维图像；
所述处理器对获得的二维图像进行三维重构，得到所述目标区域的三维图像。
上述方案中，所述基于所述位置信息利用所述聚焦离子束子系统和/或所述机械切削装置对所述样品进行多次处理，所述SEM获取多次处理得到的多个目标截面的二维图像，包括：
利用所述聚焦离子束子系统或所述机械切削装置对所述样品的目标区域进行断层切割，得到第一目标截面；利用所述SEM获取所述第一目标截面的第一二维图像；
利用所述聚焦离子束子系统或所述机械切削装置对所述样品的目标区域进行断层切割，得到第二目标截面；利用所述SEM获取所述第二目标截面的第二二维图像；
以此类推，直至对所述样品的目标区域的成像完成，得到所述样品的多个目标截面的二维图像。
上述方案中，所述处理器基于所述三维图像获取目标区域的位置信息，包括：
确定所述三维图像的第一区域以及所述第一区域的位置信息；
基于所述位置信息，利用所述聚焦离子束子系统和/或所述机械切削装置对所述样品中除所述第一区域以外的区域进行处理，以使所述第一区域暴露或即将暴露；
通过所述micro-CT子系统获取处理后的样品的三维图像；
基于所述处理后的样品的三维图像对所述第一区域进行导航修正，得到第二区域；
确定所述第二区域的位置信息为所述目标区域的位置信息。
上述方案中，所述聚焦离子束子系统的轴线与所述样品的垂直方向之间的夹角为θ，0≤θ≤180°。
上述方案中，所述micro-CT子系统包括：X射线源和X射线探测器；所述X射线源、所述X射线探测器和所述样品设置于同一条直线上，且所述X射线源和所述X射线探测器分别位于所述样品的两侧。
本发明实施例中，通过显微电子计算机断层扫描子系统获取样品的三维图像，能够实现样品的高穿透深度的探测成像；利用micro-CT子系统获取样品的三维图像，能够提高对样品的探测成像的分辨率；并且，将micro-CT子系统、由聚焦离子束子系统和机械切削装置构成的样品加工子系统、SEM以及处理器集成为一个成像系统，提高了样品探测的精度。
附图说明
图1为本发明实施例成像系统的一个可选组成结构示意图；
图2a为本发明实施例FIB与样品之间的位置关系示意图；
图2b为本发明实施例提供的成像系统的上视图示意图一；
图2c为本发明实施例提供的成像系统的上视图示意图二；
图2d为本发明实施例提供的成像系统的上视图示意图三；
图2e为本发明实施例提供的成像系统的上视图示意图四；
图3为本发明实施例提供应用于样品探测方法的成像系统的结构示意图一；
图4为本发明实施例提供应用于样品探测方法的成像系统的结构示意图二；
图5为本发明实施例提供应用于样品探测方法的成像系统的结构示意图三；
图6为本发明实施例提供应用于样品探测方法的成像系统的结构示意图四；
图7为本发明实施例样品探测方法的可选处理流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的成像系统的一个可选组成结构示意图，如图1所示，成像系统100包括：由X射线源101和X射线探测器102构成的micro-CT子系统；所述micro-CT子系统用于获取样品104的三维图像；所述样品104置于样品台103上，所述样品台103能够进行五自由度的运动，所述五自由度的运动包括：三维平移(X、Y和Z三个方向上的平移)、绕中心轴的旋转(R)以及倾斜(T)。
所述成像系统100还包括：由FIB子系统105和机械切削装置106构成的样品加工子系统；所述样品加工子系统，用于得到样品104的目标区域的目标截面。
所述FIB的一个可选离子源是液态金属镓离子，所述FIB105以第一加工方式对样品104进行处理；举例来说，所述FIB对样品104以微纳米级加工的方式对样品104进行处理，以实现对样品104的断层切割。
在一些实施例中，所述FIB105与所述样品104之间的位置关系如图2a所示，所述FIB105可以进行俯仰倾斜，所述FIB105的轴线与所述样品台103(或位于所述样品台103上的样品)的垂直方向Z方向成一夹角θ；所述夹角可以通过机械装置进行调节，调节范围为0≤θ≤180°。
机械切削装置106以第二加工方式对样品104进行处理；举例来说，所述机械切削装置106对样品104以粗加工的方式对样品104进行处理，以实现对样品104的断层切割。机械切削装置106的可选类型至少包括：玻璃刀具、不锈钢刀具、金刚石刀具和显微切片机；在具体实施时，可根据样品104的类型和切削尺寸选择机械切削装置106的类型。
所述成像系统100还包括：位于样品104上方的SEM107，用于获取所述目标截面的二维图像，实现对样品104的高分辨率探测；基于多个目标截面，能够形成一系列的二维图像，所述二维图像至少包括二次电子(Secondary Electrons，SE)图像和背散射电子(BackScattered Electrons，BSE)图像。
所述SEM107，还包括能谱仪EDS，所述EDS用于获取样品104的能谱图；通过获取样品104的能谱图，实现了对样品104的材料成分进行分析的功能。
所述成像系统100还包括：处理器109，用于对获得的二维图像进行三维重构，得到所述目标区域的三维图像。
图2b、图2c、图2d和图2e为本发明实施例提供的成像系统100的上视图；在一些可选实施例中，所述X射线源101、所述X射线探测器102和所述样品104设置于同一条直线上，且所述X射线源102和所述X射线探测器102分别位于所述样品104的两侧。如图2b、图2c和图2d所示，FIB105、SEM107(或样品台103)与样品切削装置106三者可以共线，如图2e所示，FIB105、SEM107(或样品台103)与样品切削装置106三者也可以不共线；EDS108与SEM107相邻放置。并且，FIB105、SEM107(或样品台103)与样品切削装置106之间的位置关系并不局限于图2b、图2c、图2d和图2e所述的位置关系。
在一些可选实施例中，所述FIB105和/或所述机械切削装置106，还用于对所述样品104中除所述第一区域以外的区域进行处理，以使所述第一区域暴露或即将暴露；所述第一区域为对样品104进行探测的区域。
所述micro-CT子系统，还用于获取处理后的样品的三维图像；
所述处理器109，还用于基于所述处理后的样品的三维图像对所述第一区域进行导航修正，得到第二区域，并确定所述第二区域的位置信息为所述目标区域的位置信息；所述目标区域的位置信息用于所述样品加工子系统对所述样品进行处理。
基于上述成像系统，本发明实施例还提供一种样品探测方法，所述样品探测方法应用于图3、图4、图5和图6所示的成像系统，所述成像系统包括：micro-CT子系统、由聚焦离子束子系统和机械切削装置构成的样品加工子系统、SEM以及处理器；所述探测方法的处理流程，如图7所示，包括以下步骤：
步骤S101，micro-CT子系统获取样品的三维图像。
在一些实施例中，micro-CT子系统包括X射线源和X射线探测器，所述X射线源、所述X射线探测器和所述样品设置于同一条直线上，且所述X射线源和所述X射线探测器分别位于所述样品的两侧。
如图3所示，样品304放置在样品台305上，X射线源301发出X射线，透过样品304，投射到探测器302上，通过样品台305的旋转，得到一系列投影图像，通过运算将投影图像转换为三维图像309，此三维图像用于后续观测中的导航图。
需要说明的是，将投影图像转换为三维图像的处理过程为现有技术，这里不再赘述。
步骤S102，基于所述三维图像获取目标区域的位置信息。
这里，目标区域为对样品进行探测的区域。
在一些实施例中，成像系统中的处理器确定所述三维图像的第一区域以及所述第一区域的位置信息；基于所述位置信息，利用所述聚焦离子束子系统和/或所述机械切削装置对所述样品中除所述第一区域以外的区域进行处理，以使所述第一区域暴露或即将暴露；通过所述micro-CT子系统获取处理后的样品的三维图像；基于所述处理后的样品的三维图像对所述第一区域进行导航修正，得到第二区域；确定所述第二区域的位置信息为所述目标区域的位置信息。如图3所示的310为目标区域。如图4所示的410为目标区域，411为位于目标区域410上方的区域，需将区域411切除，以便利用SEM对目标区域410进行扫描成像。
如此，通过基于经过处理后的样品的三维图像对所述第一区域进行导航修正，能够实现对样品进行处理时目标区域的形变和位移引起的导航图偏差的修正，较少对目标区域的破坏，进而提高了获取目标区域的三维图像的精度。
步骤S103，基于所述位置信息利用所述聚焦离子束子系统和/或所述机械切削装置对所述样品进行多次处理，以使所述目标区域的目标截面暴露。
在一些实施例中，利用所述聚焦离子束子系统或所述机械切削装置对所述样品的目标区域进行断层切割，得到第一目标截面；利用所述SEM获取所述第一目标截面的第一二维图像；利用所述聚焦离子束子系统或所述机械切削装置对所述样品的目标区域进行断层切割，得到第二目标截面；利用所述SEM获取所述第二目标截面的第二二维图像；以此类推，直至对所述样品的目标区域的成像完成，得到所述样品的多个目标截面的二维图像。
步骤S104，获取多次处理得到的多个目标截面的二维图像。
在一些实施例中，利用所述聚焦离子束子系统或所述机械切削装置对所述样品的目标区域进行断层切割，得到第一目标截面；利用所述SEM获取所述第一目标截面的第一二维图像；利用所述聚焦离子束子系统或所述机械切削装置对所述样品的目标区域进行断层切割，得到第二目标截面；利用所述SEM获取所述第二目标截面的第二二维图像；以此类推，直至对所述样品的目标区域的成像完成，得到所述样品的多个目标截面的二维图像。
如图5所示511为包含目标区域的样品区域，512为多个目标截面的二维图像。
步骤S105，对获得的二维图像进行三维重构，得到所述目标区域的三维图像。
在一些可选实施例中，成像系统的处理器对获得的一系列二维图像进行三维重构，得到所述目标区域的三维图像，得到的三维图像，如图6所示的612。
以上所述，仅为本发明的具体实施模式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种成像系统，其特征在于，所述系统包括：显微电子计算机断层扫描micro-CT子系统、样品加工子系统和扫描电子显微镜SEM和处理器；其中，
所述micro-CT子系统包括：X射线源和X射线探测器，用于获取样品的三维图像；
所述样品加工子系统包括：聚焦离子束子系统和机械切削装置；所述聚焦离子束子系统以第一加工方式对所述样品进行处理，所述机械切削装置以第二加工方式对所述样品进行处理，得到目标区域的目标截面；
所述SEM，位于所述样品的上方，用于获取所述目标截面的二维图像；
所述处理器，用于对所述二维图像进行三维重构，得到所述样品的三维成像。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述处理器，还用于确定所述三维图像的第一区域以及所述第一区域的位置信息；
所述聚焦离子束子系统和/或所述机械切削装置，还用于对所述样品中除所述第一区域以外的区域进行处理，以使所述第一区域暴露或即将暴露；
所述micro-CT子系统，还用于获取处理后的样品的三维图像；
所述处理器，还用于基于所述处理后的样品的三维图像对所述第一区域进行导航修正，得到第二区域，并确定所述第二区域的位置信息为所述目标区域的位置信息；所述目标区域的位置信息用于所述样品加工子系统对所述样品进行处理。
3.如权利要求1或2所述的成像系统，其特征在于，所述样品设置于样品台上，所述样品台能够进行五自由度的运动。
4.如权利要求1或2所述的成像系统，其特征在于，所述聚焦离子束子系统的轴线与所述样品的垂直方向之间的夹角为θ，0≤θ≤180°。
5.如权利要求1或2所述的成像系统，其特征在于，所述机械切削装置为：
玻璃刀具、不锈钢刀具、金刚石刀具或显微切片机。
6.如权利要求1或2所述的成像系统，其特征在于，所述SEM还包括：能谱仪EDS，所述EDS用于获取所述样品的能谱图。
7.如权利要求1或2所述的成像系统，其特征在于，所述X射线源、所述X射线探测器和所述样品设置于同一条直线上，且所述X射线源和所述X射线探测器分别位于所述样品的两侧。
8.一种样品探测方法，应用于成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：显微电子计算机断层扫描micro-CT子系统、由聚焦离子束子系统和机械切削装置构成的样品加工子系统、扫描电子显微镜SEM以及处理器；所述方法包括：
所述micro-CT子系统获取样品的三维图像；
所述处理器基于所述三维图像获取目标区域的位置信息；
基于所述位置信息利用所述聚焦离子束子系统和/或所述机械切削装置对所述样品进行多次处理，以使所述目标区域的目标截面暴露；
所述SEM获取多次处理得到的多个目标截面的二维图像；
所述处理器对获得的二维图像进行三维重构，得到所述目标区域的三维图像。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于所述位置信息利用所述聚焦离子束子系统和/或所述机械切削装置对所述样品进行多次处理，所述SEM获取多次处理得到的多个目标截面的二维图像，包括：
利用所述聚焦离子束子系统或所述机械切削装置对所述样品的目标区域进行断层切割，得到第一目标截面；利用所述SEM获取所述第一目标截面的第一二维图像；
利用所述聚焦离子束子系统或所述机械切削装置对所述样品的目标区域进行断层切割，得到第二目标截面；利用所述SEM获取所述第二目标截面的第二二维图像；
以此类推，直至对所述样品的目标区域的成像完成，得到所述样品的多个目标截面的二维图像。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述处理器基于所述三维图像获取目标区域的位置信息，包括：
确定所述三维图像的第一区域以及所述第一区域的位置信息；
基于所述位置信息，利用所述聚焦离子束子系统和/或所述机械切削装置对所述样品中除所述第一区域以外的区域进行处理，以使所述第一区域暴露或即将暴露；
通过所述micro-CT子系统获取处理后的样品的三维图像；
基于所述处理后的样品的三维图像对所述第一区域进行导航修正，得到第二区域；
确定所述第二区域的位置信息为所述目标区域的位置信息。
11.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述聚焦离子束子系统的轴线与所述样品的垂直方向之间的夹角为θ，0≤θ≤180°。
12.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述micro-CT子系统包括：X射线源和X射线探测器；所述X射线源、所述X射线探测器和所述样品设置于同一条直线上，且所述X射线源和所述X射线探测器分别位于所述样品的两侧。
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