一种无伪影的电子叠层重构方法

1.本发明提供一种无伪影的电子叠层重构方法，它具体涉及到在执行单边频带电子叠层重构算法过程中对样品相位信息的衬度传递进行调制，最终得到不含衬度伪影的样品相位衬度图像，属于电子显微领域。


背景技术：

2.近些年计算机运算和存储能力的提升以及直接电子探测相机的发展进一步推动了电子叠层重构技术(ptychography)的发展，电子叠层重构技术作为一种计算成像技术极大的增强了现代扫描透射电子显微镜的表征能力，尤其是对成像分辨率的提升。由于单边频带电子叠层重构算法的重构机制，使得重构的样品相位衬度像受到严重的衬度伪影干扰，极大的危害了成像质量，降低了电子叠层重构图像的可信度。
3.现有的单边频带电子叠层重构算法执行过程主要分为以下几个步骤：
4.(1)获得一套四维扫描透射电子显微镜数据：通常在实际实验过程中选取不含样品的真空区域将透射束斑中心与直接电子探测相机中心进行严格对齐。即首先选择合适的相机常数并将电子束开启，则可在探测器上观察到一圆形束斑，随后将电子束斑移动到直接电子探测器正中心，随后即可采集感兴趣区域的四维扫描透射电子显微镜数据；若使用模拟软件模拟数据，则使用相应实验条件下的实验参数进行模拟即可。
5.(2)对采集(模拟)得到的四维扫描透射电子显微镜数据执行单边频带电子叠层重构时，将四维扫描透射电子显微镜数据在相对于电子探针扫描位置上执行傅里叶变换，得到一个新的四维数据集g，具体数学公式如下：
[0006][0007]
k为衍射平面(探测器平面)的位置矢量，q
p
为图像空间频率，r
p
为样品平面上的探针位置矢量，ψ(k,r
p
)为位于衍射平面的电子波函数。
[0008]
(3)根据单边频带电子叠层重构算法，四维数据集g可以看作由图像空间频率q
p
分离的孔径函数与图像空间频率q
p
分离的散射束之间的干涉所卷积而成，孔径函数定义如下：
[0009][0010]
r0为孔径半径，x、y为二维位置坐标。
[0011]
因此，四维数据集g中只有在孔径函数双重交叠区域内存在有效数值，将孔径函数双重交叠区域处数值进行积分则可得到一个复值i0，对i0进行逆傅里叶变换则可得到实空间样品的复透射函数。
[0012]
(4)最后，绘制stem扫描中每个探针位置样品的复透射函数的分量，以生成样品的相位衬度图像。
[0013]
但是上述的现有单边频带电子叠层重构算法流程会使重构的图像产生衬度伪影。


技术实现要素：

[0014]
本发明要克服现有技术的上述不足，提供了一种无伪影的电子叠层重构方法，用于消除单边频带电子叠层重构图像的衬度伪影，还原样品的真实结构。
[0015]
本发明的一种无伪影的电子叠层重构方法，包括以下步骤：
[0016]
(1)获得一套四维扫描透射电子显微镜数据：在实际实验过程中选取不含样品的真空区域将透射束斑中心与直接电子探测相机中心对齐，具体包括：即首先选择合适的相机常数并将电子束开启，在探测器上观察到一圆形束斑，随后将电子束斑移动到直接电子探测器正中心，随后即可采集感兴趣区域的四维扫描透射电子显微镜数据；若使用模拟软件模拟数据，则使用相应实验条件下的实验参数进行模拟。
[0017]
(2)对采集或模拟得到的四维扫描透射电子显微镜数据执行单边频带电子叠层重构时，将四维扫描透射电子显微镜数据在相对于电子探针扫描位置上执行傅里叶变换，得到一个新的四维数据集g，具体数学公式如下：
[0018][0019]
k为衍射平面(探测器平面)的位置矢量，q
p
为图像空间频率，r
p
为样品平面上的探针位置矢量，ψ(k,r
p
)为位于衍射平面的电子波函数。
[0020]
(3)对样品相位信息的衬度传递进行调制：根据单边频带电子叠层重构算法，四维数据集g可以看作由图像空间频率q
p
分离的孔径函数与由图像空间频率q
p
分离的散射束之间的干涉所卷积而成，孔径函数定义如下：
[0021][0022]
r0为孔径半径，x、y为二维位置坐标。
[0023]
因此，四维数据集g中只有在孔径函数双重交叠区域内存在有效数值，将孔径函数双重交叠区域处数值进行积分则可得到一个复值i0，同时可以得到孔径函数双重交叠区域内部包含的像素数目n，将复值i0除以像素数目n则可以得到单位像素复值i。本发明将此过程类推至g集中所有数据，从而得到一系列相互对应的像素数目n与复值i。此外，本发明通过生成一系列新的n值作为空间频率的函数来对样品相位信息的衬度传递进行调制，具体函数形式如下：
[0024][0025]
其中q为空间频率，δ、ε为可调节参数，n为函数阶数，本发明通过调节各个参量来得到一系列新的n值，即n
new
。将调制后的n
new
值与对应的单位像素复值i相乘得到新的复值i
new
，对i
new
进行逆傅里叶变换则可得到实空间样品的复透射函数。因此，通过调节该函数的值n
new
可以对样品相位信息的衬度传递进行调制。
[0026]
(4)最后，绘制stem扫描中每个探针位置样品的复透射函数的分量，以生成样品的相位衬度图像。
[0027]
本发明的特征是：
[0028]
(1)使用直接电子探测相机同时采集二维样品平面信息以及二维衍射平面信息，
构成四维数据集；
[0029]
(2)在电子叠层重构算法实施过程中对样品相位信息的衬度传递进行调制。
[0030]
本发明的有益之处在于：消除了单边频带电子叠层重构技术的成像衬度伪影，提高了电子叠层重构图像的质量与可信度。
附图说明：
[0031]
图1是本发明方法的工作流程图；
[0032]
图2是本发明的数据集g的一个数据切片示意图；
[0033]
图3是使用原单边频带电子叠层重构算法重构的模拟分子筛的相位衬度像；
[0034]
图4是使用本发明改进后单边频带电子叠层重构算法重构的模拟分子筛的相位衬度像。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。本发明对单边频带电子叠层重构算法进行改进，实现无伪影的电子叠层重构相位衬度像。为了验证本发明的可行性与可靠性，本实例采用假定样品为分子筛的模拟数据来执行原单边频带电子叠层重构算法以及本发明改进后的单边频带电子叠层重构算法并对重构成像效果进行比较，采用模拟数据的主要原因为：模拟数据可以排除外界不确定因素干扰，如噪音等，从而证明本发明对原单边频带电子叠层重构算法改进的有效性。
[0036]
本发明的一种无伪影的电子叠层重构方法，具体实施方式如下：
[0037]
(1)首先模拟分子筛样品的四维扫描透射电子显微镜数据集，数据尺寸为150
×
150
×
128
×
128像素。数据模拟条件为：加速电压300kv，会聚半角12mrad，并且采样满足奈奎斯特采样频率。
[0038]
(2)对模拟得到的四维扫描透射电子显微镜数据执行单边频带电子叠层重构时，将四维扫描透射电子显微镜数据在相对于电子探针扫描位置上执行傅里叶变换，得到一个新的四维数据集g，具体数学公式如下：
[0039][0040]
k为衍射平面(探测器平面)的位置矢量，q
p
为图像空间频率，r
p
为样品平面上的探针位置矢量，ψ(k,r
p
)为位于衍射平面的电子波函数。附图2为数据集g的一个数据切片的可视化。
[0041]
(3)根据单边频带电子叠层重构算法，在g数据集中只有如附图2所示的圆环双重交叠区域内存在有效数值，将圆环双重交叠区域处数值进行积分则可得到一个复值i0，同时可以得到圆环双重交叠区域内部包含的像素数目n，将复值i0除以像素数目n则可以得到单位像素复值i。本发明将此过程类推至g集中所有数据，从而得到一系列相互对应的像素数目n与复值i。此外，本发明通过生成一系列新的n值作为空间频率的函数来对样品相位信息的衬度传递进行调制，具体函数形式如下：
[0042]
[0043]
其中q为空间频率，δ、ε为可调节参数，n为函数阶数，本发明通过调节各个参量来得到一系列新的n值，即n
new
。本实例中为了得到最优成像效果，n值取2，ε值取1，δ值取7。将调制后的n
new
值与对应的单位像素复值i相乘得到新的复值i
new
，对i
new
进行逆傅里叶变换得到实空间样品的复透射函数。因此，通过调节该函数的值n
new
可以对样品相位信息的衬度传递进行调制。
[0044]
(4)最后，绘制stem扫描中每个探针位置样品的复透射函数的分量，以生成样品的相位衬度图像。
[0045]
图3为执行原电子叠层重构算法得到的分子筛相位衬度像，可以看到分子筛孔道内部明显的衬度伪影。
[0046]
图4为执行本发明改进的单边频带电子叠层重构算法得到的分子筛相位衬度像，可以看到孔道内部衬度伪影消失，样品本征结构得以明确揭示。
[0047]
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。