CN111179371A - 一种扫描电子显微成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描电子显微成像方法，属于显微成像技术领域。本发明的一种扫描电子显微成像方法，利用扫描电镜对不同会聚角的光阑下的目标物体进行扫描得到衍射图案，将每个光阑对应的衍射图案进行混合得到混合衍射图案，根据混合衍射图案进行多次迭代计算重构O(r)，采用最终迭代计算重构的O_z(r)作为目标物体最终的复振幅分布函数，根据O_z(r)的振幅和相位得到重构的目标物体图像。本发明的目的在于克服现有技术中，层叠成像方法中单一光阑产生的衍射图案只能得到目标物体一部分频段信息的重构图像的不足，提供了一种扫描电子显微成像方法，可以获得目标物体的高频特征和低频特征，从而可以得到清晰完整的目标物体图像。

Description

一种扫描电子显微成像方法

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，更具体地说，涉及一种扫描电子显微成像方法。

背景技术

层叠成像技术是基于扫描相干衍射的成像方式，相比传统的透射扫描成像方式，此方法不需要传统的物镜成像，通过移动探针函数在处于离焦条件下的目标物体上的位置，在探测器上得到相应位置的衍射图案强度，再利用这些衍射图案重构出目标物体的图像，包含了目标物体的相位信息。例如发明创造名称为：时间分辨重叠关联成像术(申请日：2014年8月22日；申请号：CN201410419563.4)，该方案公开了时间分辨重叠关联成像术，是一种用于提供图像数据的方法。该方法利用采集的相关联衍射图像重构目标物体的区域的相关信息。该方法步骤包括：获取目标图像，直到采集足够的相关联图像；通过增强型重叠关联成像术迭代引擎(ePIE)获得目标对象对于时间平均的重构；以重构全部时间序列的目标对象及探针函数为目标，改变初始输入，通过增强型重叠关联成像术迭代引擎(ePIE)最终获得结果。对于现有技术中存在的包括重叠关联成像术(Ptychography)以及很多其他成像技术，都只能够重建静态的目标对象的信息问题，而该方案能够获得目标对象的时间分辨的重构。

此外，还有发明创造名称为：图像数据的提供(申请日：2009年12月4日；申请号：200980148909.9)，该方案描述了在未知探针函数下，通过预设初始值，之后在迭代过程中利用衍射图案的信息更新探针函数和目标物体的复振幅函数，同时重构出探针函数和目标物体复振幅函数的增强型层叠成像迭代引擎(Ptychography Iteration Engine，ePIE)。另外还有发明创造名称为：三维成像(申请日：2008年2月25日；申请号：200880100101.9)，该方案公开了能够对三维目标物体区域进行重构的算法，通过迭代利用衍射图案的信息确定三维目标物体内各层目标物体的图像，最终重构出三维目标物体的图像，与层叠成像技术享有相同的技术基础。

但是包括层叠成像技术在内的很多成像技术中只使用一个光阑大小下采集的衍射图案，受噪声影响下的衬度传递函数限制，重构得到的结果中只有目标物体中一部分频率的信息得到了较好的传递，无法得到目标物体完整的特征。使用较小光阑角度下采集的衍射图案，重构得到的目标物体低频部分较好，高频部分较弱，能够反映目标物体大致概貌和轮廓，但是空间分辨率较差；使用较大光阑角度下采集的衍射图案，重构得到的目标物体高频部分较好，低频部分较弱，虽然空间分辨率要更高，但是目标物体的形貌和轮廓相对于背底的辨识度有所损失，同时噪声也被更多地带入了重构后的目标物体。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于克服现有技术中，层叠成像方法中单一光阑产生的衍射图案只能得到目标物体一部分频段信息的重构图像的不足，本发明提供了一种扫描电子显微成像方法，可以同时获得目标物体的高频特征和低频特征，从而可以得到更清晰完整的目标物体图像。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种扫描电子显微成像方法，利用扫描电镜对不同会聚角的光阑下的目标物体进行扫描得到衍射图案，将每个光阑对应的衍射图案进行混合得到混合衍射图案，再根据混合衍射图案进行重构得到目标物体图像；其中，混合衍射图案均匀分布有不同会聚角的光阑对应的衍射图案。

更进一步地，通过以下公式获取每个光阑对应的衍射图案：设P_k(r)为探针函数，O(r)为目标物体的复振幅分布函数，透过目标物体的出射波函数为：

出射波函数

经过衍射得到衍射波函数

由衍射波函数得到衍射强度为：

再根据衍射强度得到衍射图案；

其中，k代表不同光阑的编号，r表示目标物体平面的坐标，m表示第m个扫描阵列位置。

更进一步地，将每个光阑对应的衍射图案进行混合得到混合衍射图案的具体过程为：设定不同会聚角的光阑数量为J个，每个光阑的扫描阵列的位置为H个；

每个光阑对应的衍射图案数量为H个，从每个光阑对应的衍射图案中选取相同数量的衍射图案，再根据扫描阵列位置将选择的衍射图案交叉排列组成混合衍射图案，混合衍射图案包含的衍射图案的数量为H个或者H*J个。

更进一步地，通过下列公式计算探针函数：

其中，A_k(q)代表光阑，k代表不同光阑的编号，q代表光阑处的空间坐标，i为虚数单位，FFT为傅里叶变换，χ_k()为不同探针函数对应的像差函数。

更进一步地，根据混合衍射图案进行重构得到目标物体图像的具体过程为：根据混合衍射图案进行多次迭代计算重构的O(r)，采用最终迭代计算重构的O_z(r)作为目标物体最终的复振幅分布函数，根据O_z(r)的振幅和相位得到重构的目标物体图像。

更进一步地，每次迭代时先计算出射波函数ψ_n,m(k)(r)＝P_k(r+R_m(k))O_n(r)；其中，n表示第n次迭代，m(k)表示第k个光阑对应的扫描位置：

再计算衍射后波函数的振幅值：

根据衍射后波函数计算新的出射波函数：ψ_n,m(k),new(r)＝FFT^-1{Ψ_n,m(k),new(r)}；

根据新的出射波函数计算目标物体的复振幅分布函数：

其中，α和β为可调节的参数，α用于保证分母不为0，β用于控制反馈的强度；

采用新的目标物体的复振幅分布函数O_n+1()代入到出射波函数ψ_n,m(k)()中开始再一次的迭代计算；根据最终迭代计算得到的目标物体的复振幅分布函数重构图像。

更进一步地，在第一次迭代中，设目标物体的复振幅分布函数O(r)为随机分布函数。

更进一步地，出射波函数

经过菲涅尔衍射或夫郎禾费衍射得到衍射波函数

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明的一种扫描电子显微成像方法，通过采用不同会聚角的光阑，从而可以得到含有高频信息和低频信息的衍射图案，进一步将衍射图案进行混合得到混合衍射图案，使得混合衍射图案均匀分布有高频信息和低频信息，进而可以获取目标物体的高频特征和低频特征；之后根据混合衍射图案进行重构得到目标物体图像，可以有效去除噪声，进一步可以得到清晰完整、辨识度高的目标物体图像。

附图说明

图1为本发明一种扫描电子显微成像方法的流程示意图；

图2为实施例2中1mrad的圆形光阑下所得衍射图案重构的目标物体图像示意图；

图3为实施例2中10mrad的圆形光阑下所得衍射图案重构的目标物体图像示意图；

图4为实施例2中根据混合衍射图案重构的目标物体图像示意图；

图5为实施例3中1mrad的圆形光阑下所得衍射图案重构的目标物体图像示意图；

图6为实施例3中12mrad的圆形光阑下所得衍射图案重构的目标物体图像示意图；

图7为实施例3根据混合衍射图案重构的目标物体图像示意图；

图8为实施例3中12mrad的圆形光阑下所得衍射图案和根据混合衍射图案重构的目标物体图像分别进行傅立叶变换后的图像对比示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；而且，各个实施例之间不是相对独立的，根据需要可以相互组合，从而达到更优的效果。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1所示，本发明的一种扫描电子显微成像方法，利用扫描电镜对不同会聚角的光阑下的目标物体进行扫描得到衍射图案，值得说明的是，在不同会聚角的光阑下进行扫描获取的频率信息是不同的，会聚角较小的光阑半径获得的主要是低频信息，会聚角较大的光阑半径获得的主要是高频信息。进一步地，将每个光阑对应的衍射图案进行混合得到混合衍射图案，需要说明的是，混合衍射图案均匀分布有不同会聚角的光阑对应的衍射图案，即混合衍射图案中每个光阑对应的衍射图案数量是相同的；通过将不同会聚角的光阑对应的衍射图案进行混合，从而使得混合衍射图案均匀分布有高频信息和低频信息，进而可以获取目标物体的高频特征和低频特征。之后根据混合衍射图案进行重构得到目标物体图像，通过混合衍射图案的高频信息和低频信息可以重构目标物体的高频特征和低频特征，并且可以有效去除噪声，进一步可以得到清晰的目标物体图像。

本发明的一种扫描电子显微成像方法，具体步骤如下：

1)先获取衍射图案

利用扫描电镜对不同会聚角的光阑下的目标物体进行扫描；通过以下公式获取每个光阑对应的衍射图案：

设P_k(r)为探针函数，先通过下列公式计算探针函数：

其中，A_k(q)代表光阑，k代表不同光阑的编号，q代表光阑处的空间坐标，FFT为傅里叶变换，i为虚数单位，χ_k(q)为不同探针函数对应的像差函数。

进一步地，设定O(r)为目标物体的复振幅分布函数，透过目标物体的出射波函数为：

出射波函数

经过衍射得到衍射波函数

值得说明的是，出射波函数

经过菲涅尔衍射或夫郎禾费衍射得到衍射波函数

再由衍射波函数得到衍射强度为：

其中，k代表不同光阑的编号，r表示目标物体平面的坐标，m表示第m个扫描阵列位置。之后根据衍射强度得到衍射图案，值得说明的是，衍射强度分布即为衍射图案。

需要说明的是，在光学上可通过使用孔径光阑来控制会聚光束的会聚角大小，从而得到对应的探针函数，孔径光阑往往在一个范围内为1，其他部分为0，这个范围也控制了对应衍射图案中透射束的形状大小。本发明通过采用不同会聚角的光阑得到带有高频信息和低频信息的衍射图案，进一步可以获取目标物体的高频特征和低频特征，从而可以获取清晰的目标物体图像。

2)获取混合衍射图案

将每个光阑对应的衍射图案进行混合得到混合衍射图案，具体过程为：设定不同会聚角的光阑数量为J个，每个光阑的扫描阵列的位置为H个；由于一个扫描位置对应一个衍射图案，即每个光阑对应的衍射图案数量为H个。而后从每个光阑对应的衍射图案中选取相同数量的衍射图案，再根据扫描阵列位置将选择的衍射图案交叉排列组成混合衍射图案，例如有两个不同会聚角的光阑分别为光阑a和光阑b，第一个扫描位置得到的衍射图案选取光阑a对应的第一个扫描位置的衍射图案，第二个扫描位置得到的衍射图案选取光阑b对应的第二个扫描位置的衍射图案，第三个扫描位置得到的衍射图案选取光阑a对应的第三个扫描位置的衍射图案，依次循环交叉排列得到混合衍射图案。

通过选取不同会聚角的光阑对应的衍射图案交叉排列，从而可以使得混合衍射图案均匀分布有高频信息和低频信息，进而可以获取目标物体的高频特征和低频特征。进一步地，混合衍射图案包含的衍射图案数量为H个或者H*J个，如果混合衍射图案的数量为H个，则表明从每个光阑对应的衍射图案中选取了一部分的衍射图案进行交叉排列组合；如果混合衍射图案的数量为H*J个，则表明每个光阑对应的衍射图案全部被选取进行交叉排列组合。值得说明的是，J个不同会聚角的光阑会得到J组衍射图案，通过混合J组衍射图案可获得多组混合衍射图案，可以通过多组混合衍射图案得到目标物体的图像。具体地，将每组混合衍射图案对应的最终的复振幅分布函数进行相加并取平均值，得到目标物体最终的复振幅分布函数，进而可以得到清晰的目标物体图像。

3)根据混合衍射图案进行重构

根据混合衍射图案进行重构得到目标物体图像，具体过程为：根据混合衍射图案进行多次迭代计算重构的O(r)，采用最终迭代计算重构的O_z(r)作为目标物体最终的复振幅分布函数，根据O_z(r)的振幅和相位得到重构的目标物体图像。其中，在第一次迭代中，设目标物体的复振幅分布函数O(r)为随机分布函数。

具体地，每次迭代时先计算出射波函数ψ_n,m(k)(r)＝P_k(r+R_m(k))O_n(r)；其中，n表示第n次迭代，m(k)表示第k个光阑对应的扫描位置：

再计算衍射后波函数的振幅值，值得说明的是，在获得的衍射图案中，可以根据扫描阵列位置选取不同会聚角的光阑对应的的衍射图案，依据选取的衍射图案强度分布的平方根来替代计算所需的衍射后波函数的振幅值。具体公式为：

之后根据衍射后波函数计算新的出射波函数，具体公式如下：

ψ_n,m(k),new(r)＝FFT^-1{Ψ_n,m(k),new(r)}；

再根据新的出射波函数计算目标物体的复振幅分布函数：

其中，α和β为可调节的参数，α用于保证分母不为0，β用于控制反馈的强度；

采用新的目标物体的复振幅分布函数O_n+1(r)代入到出射波函数ψ_n,m(k)(r)中开始再一次的迭代计算；根据最终迭代计算得到的目标物体的复振幅分布函数重构图像。通过上述步骤即可得到清晰的目标物体图像。

本发明的一种扫描电子显微成像方法，通过采用不同会聚角的光阑，从而可以得到含有高频信息和低频信息的衍射图案，进一步将衍射图案进行混合得到混合衍射图案，使得混合衍射图案均匀分布有高频信息和低频信息，进而可以获取目标物体的高频特征和低频特征；之后根据混合衍射图案进行重构得到目标物体图像，可以有效去除噪声，进一步可以得到清晰完整、辨识度高的目标物体图像。

实施例2

本实施例的内容基本同实施例1，本实施例以生物分子的模拟原子势场为目标物体，目标物体为2048x2048大小的复数矩阵，以圆形光阑产生的电子束波函数作为探针函数，为1024x1024大小的复数矩阵。本实施例选取的光阑为1mrad的圆形光阑和10mrad的圆形光阑，在1mrad的圆形光阑下所选用的目标物体离焦量为1200nm，在10mrad的圆形光阑下所选用的目标物体离焦量为120nm，从而可以保证在不同会聚角的光阑大小下电子束波探针函数大小相近。

透过两个光阑的光束经过传播可以得到探针函数P_k(r)(k＝1,2)，其中k＝1为1mrad的圆形光阑，k＝2为10mrad的圆形光阑。在两个光阑下分别按相同的40x40的方形扫描阵列将探针函数在目标物体上扫描采集得到两组共3200个衍射图案

而后在采集得到的衍射图案中加入一定量的泊松噪声。

本实施例采用实施例1中的一种扫描电子显微成像方法，本实施例的混合衍射图案中的混合衍射图案中奇数扫描位置选择用1mrad的圆形光阑下采集的衍射图案，偶数扫描位置选择用10mrad的圆形光阑下采集的衍射图案，组成重构用的衍射图像组

这1600个衍射图案强度分布的平方根来替代计算所需的衍射后波函数的振幅值。本实施例得到的目标物体图像如图4所示，图2为1mrad的圆形光阑下所得衍射图案重构的目标物体图像；图3为10mrad的圆形光阑下所得衍射图案重构的目标物体图像；本实施例得到的目标物体图像比1mrad圆形光阑对应的衍射图案重构得到的目标物体图像空间分辨率更高，高频特征传递得更好，比10mrad圆形光阑对应的衍射图案重构得到的目标物体图像轮廓形貌更明显，低频特征传递得更好。

实施例3

本实施例的内容基本同实施例1，以生物分子和石墨烯的模拟原子势场为目标物体，目标物体为2048x2048大小的复数矩阵，以圆形光阑产生的电子束波函数作为探针函数，为1024x1024大小的复数矩阵。本实施例选取的光阑为1mrad的圆形光阑和12mrad的圆形光阑，在1mrad的圆形光阑下所选用的目标物体离焦量为1200nm，在12mrad的圆形光阑下所选用的目标物体离焦量为100nm，从而可以保证在不同会聚角的光阑大小下电子束波探针函数大小相近。

透过两个光阑的光束经过传播可以得到探针函数P_k(r)(k＝1,2)，其中k＝1为1mrad的圆形光阑，k＝2为10mrad的圆形光阑。在两个光阑下分别按相同的40x40的方形扫描阵列将探针函数在目标物体上扫描采集得到两组共3200个衍射图案

而后在采集得到的衍射图案中加入一定量的泊松噪声。

本实施例采用实施例1中的一种扫描电子显微成像方法，本实施例的混合衍射图案中的混合衍射图案中奇数扫描位置选择用1mrad的圆形光阑下采集的衍射图案，偶数扫描位置选择用10mrad的圆形光阑下采集的衍射图案，组成重构用的衍射图像组

这1600个衍射图案强度分布的平方根来替代计算所需的衍射后波函数的振幅值。本实施例得到的目标物体图像如图7所示，图5为1mrad的圆形光阑下所得衍射图案重构的目标物体图像；图6为12mrad的圆形光阑下所得衍射图案重构的目标物体图像；本实施例得到的目标物体图像比1mrad圆形光阑对应的衍射图案重构得到的目标物体图像空间分辨率更高，高频特征传递得更好，比12mrad圆形光阑对应的衍射图案重构得到的目标物体图像轮廓形貌更明显，低频特征传递得更好，同时对噪声也有抑制作用。图8中图8(a)为12mrad的圆形光阑下所得衍射图案进行傅立叶变换后的图像，图8(b)为根据混合衍射图案重构的目标物体图像进行傅立叶变换后的图像，通过对比可见，根据混合衍射图案重构的目标物体图像进行傅立叶变换后的图像在靠近中心的低频部分更明显，而对外圈的高频部分的传递没有影响。需要说明的是，在图2～图7中(a)图是根据目标物体的振幅所得的图像，(b)图是根据目标物体的相位所得的图像。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

Claims (8)

1.一种扫描电子显微成像方法，其特征在于，利用扫描电镜对不同会聚角的光阑下的目标物体进行扫描得到衍射图案，将每个光阑对应的衍射图案进行混合得到混合衍射图案，再根据混合衍射图案进行重构得到目标物体图像；其中，混合衍射图案均匀分布有不同会聚角的光阑对应的衍射图案。

2.根据权利要求1所述的一种扫描电子显微成像方法，其特征在于，通过以下公式获取每个光阑对应的衍射图案：

设P_k(r)为探针函数，O(r)为目标物体的复振幅分布函数，透过目标物体的出射波函数为：

出射波函数

经过衍射得到衍射波函数

由衍射波函数得到衍射强度为：

再根据衍射强度得到衍射图案；

其中，k代表不同光阑的编号，r表示目标物体平面的坐标，m表示第m个扫描阵列位置。

3.根据权利要求1所述的一种扫描电子显微成像方法，其特征在于，将每个光阑对应的衍射图案进行混合得到混合衍射图案的具体过程为：设定不同会聚角的光阑数量为J个，每个光阑的扫描阵列的位置为H个；

每个光阑对应的衍射图案数量为H个，从每个光阑对应的衍射图案中选取相同数量的衍射图案，再根据扫描阵列位置将选择的衍射图案交叉排列组成混合衍射图案，混合衍射图案包含的衍射图案的数量为H个或者H*J个。

4.根据权利要求2所述的一种扫描电子显微成像方法，其特征在于，通过下列公式计算探针函数：

其中，A_k(q)代表光阑，k代表不同光阑的编号，q代表光阑处的空间坐标，i为虚数单位，FFT为傅里叶变换，χ_k(q)为不同探针函数对应的像差函数。

5.根据权利要求1所述的一种扫描电子显微成像方法，其特征在于，根据混合衍射图案进行重构得到目标物体图像的具体过程为：根据混合衍射图案进行多次迭代计算重构的O(r)，采用最终迭代计算重构的O_z(r)作为目标物体最终的复振幅分布函数，根据O_z(r)的振幅和相位得到重构的目标物体图像。

6.根据权利要求5所述的一种扫描电子显微成像方法，其特征在于，每次迭代时先计算出射波函数ψ_n,m(k)(r)＝P_k(r+R_m(k))O_n(r)；其中，n表示第n次迭代，m(k)表示第k个光阑对应的扫描位置：

再计算衍射后波函数的振幅值：

根据衍射后波函数计算新的出射波函数：ψ_n,m(k),new(r)＝FFT^-1{Ψ_n,m(k),new(r)}；

根据新的出射波函数计算目标物体的复振幅分布函数：

其中，α和β为可调节的参数，α用于保证分母不为0，β用于控制反馈的强度；

采用新的目标物体的复振幅分布函数O_n+1(r)代入到出射波函数ψ_n,m(k)(r)中开始再一次的迭代计算；根据最终迭代计算得到的目标物体的复振幅分布函数重构图像。

7.根据权利要求5所述的一种扫描电子显微成像方法，其特征在于，在第一次迭代中，设目标物体的复振幅分布函数O(r)为随机分布函数。

8.根据权利要求2～7任一项所述的一种扫描电子显微成像方法，其特征在于，出射波函数

经过菲涅尔衍射或夫郎禾费衍射得到衍射波函数

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