一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法技术

本发明专利技术公开了一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法，属于显微成像技术领域。本发明专利技术的方法为，利用不同会聚角的荷电粒子束对目标物体进行扫描得到若干个衍射图案集，将不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案集进行混合得到混合衍射图案集，再采用重构算法并根据混合衍射图案集进行重构得到目标物体图像；其中，混合衍射图案集均匀分布有不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案。本发明专利技术的目的在于克服现有技术中，重构算法中在单一会聚角下只能够得到目标物体的一部分频段信息的重构图像，导致重构的目标物体图像信息不完整不足，本发明专利技术的方法可以获取目标物体的完整的频段特征信息，从而可以得到更清晰完整的目标物体图像。

【技术实现步骤摘要】
一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法
本专利技术涉及显微成像
，更具体地说，涉及一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法。
技术介绍
扫描透射电子显微成像在电子显微成像基础上发展而来，通过电磁透镜将电子枪发射的，经过高速电压加速的电子束会聚于待测样品上极小的范围内，并控制其在样品上扫描，再利用多种电子信号接受器收集与样品作用后的电子，重构得到精细的样品信息图像，在物理学、化学、材料科学、生物学等学科有广泛的应用。扫描电子显微成像中，电子束的会聚角控制着所得到的有效电子信号的范围，从而控制了所产生的样品信息图像的分辨率。现有技术中，在利用扫描透射电子显微镜对目标物体进行扫描电子显微成像的过程中，会采用重构算法对扫描图像进行相关计算重构目标物体图像，但是采用重构算法进行计算重构目标物体图像时，在单一会聚角得到的目标物体重构图像不完整。现有技术中会采用差分图算法(Difference-mapalgorithm)进行相关计算重构目标物体图像。差分图算法(Difference-mapalgorithm)是一种由混合输入输出(HybridInputOutput)算法和道格拉斯-拉什福德算法(Douglas-Rachfordalgorithm)发展而来的搜索算法，常被用于解决相位恢复问题。相位恢复问题中，首先通过计算信号或图像的离散傅里叶变换，得到傅里叶模约束下的投影PA，调整模的大小以符合采集的数据，再进行逆傅里叶变换，这个投影过程减小了信号或图像到模约束的距离。而要恢复未知的相位，则需要利用另一个约束的投影PB。另一个约束的投影可以有多种形式，比如图像的模均为正值、图像有一个有限的边界等。通过两个投影的交集，可以确定满足两个约束的解，从而重构出原始信号或图像的相位。在扫描电子显微成像，采集的数据指的是电子信号接收器采集的衍射图案数据集，原始信号或图像指的是样品的目标物体图像。但是在采用差分图算法进行计算重构目标物体图像时，受到相位传递函数的限制，在单一会聚角下只能够得到目标物体的一部分频段信息的重构图像，即重构的目标物体图像信息不完整。综上所述，在采用重构算法进行计算重构目标物体图像时，如何得到清晰完整的目标物体图像，是现有技术亟需解决的问题。
技术实现思路
1.要解决的问题本专利技术的目的在于克服现有技术中，重构算法中在单一会聚角下只能够得到目标物体的一部分频段信息的重构图像，导致重构的目标物体图像信息不完整不足，本专利技术提供了一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法，可以获取目标物体的完整的频段特征信息，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，本专利技术所采用的技术方案如下：本专利技术的一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法，利用不同会聚角的荷电粒子束对目标物体进行扫描得到若干个衍射图案集，将不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案集进行混合得到混合衍射图案集，再采用重构算法并根据混合衍射图案集重构得到目标物体图像；其中，混合衍射图案集均匀分布有不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案。进一步地，通过以下公式获取不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案集：设Pk(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：ψm(k)(r)＝Pk(r-Rm(k))O(r)；出射波函数ψm(k)(r)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代表不同会聚角的荷电粒子束的编号，r表示目标物体平面的坐标，m表示第m个扫描阵列位置，Rm表示第m个扫描位置的平面坐标。进一步地，将不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案集进行混合得到混合衍射图案集的具体过程为：设定不同会聚角的荷电粒子束为J种，每种荷电粒子束对应的衍射图案数量为H个，从每种荷电粒子束对应的衍射图案集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集，混合衍射图案集包含的衍射图案的数量为H个或者H*J个。进一步地，通过下列公式计算探针函数：其中，Ak(q)代表荷电粒子束在探测器上的强度分布，k代表不同会聚角的荷电粒子束的编号，q代表探测器对应的空间坐标，i为虚数单位，IFFT为逆傅里叶变换，χk(q)为不同探针函数对应的像差函数。进一步地，根据混合衍射图案集进行重构得到目标物体图像的具体过程为：根据混合衍射图案集进行多次迭代计算重构的O(r)，采用最终迭代计算重构的Oz(r)作为目标物体最终的复振幅分布函数，根据Oz(r)的振幅和相位得到重构的目标物体图像。进一步地，每次迭代时先计算出射波函数ψn,m(k)(r)＝Pk(r-Rm(k))On(r)；其中，n表示第n次迭代，m(k)表示第k种会聚角的荷电粒子束下第m个扫描阵列位置；另外记Ψn＝{ψn,m(K)}；记投影ΠF为对傅里叶约束的投影，ΠF(Ψ):pF代表傅里叶投影操作，根据扫描阵列位置选取不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案，依据选取的衍射图案强度分布Im(k)的平方根作为约束来替代傅里叶变换后出射波函数的振幅值，且不改变相位，具体公式为：记另一投影ΠO为对交叠约束的投影，ΠO(Ψ):其中和满足的值最小，的计算公式a为：的计算公式b为：再根据投影ΠF和ΠO对Ψn进行迭代，具体公式如下：Ψn+1＝Ψn+∏∏[2∏O(Ψn)-Ψn]-∏O(Ψn)根据最终迭代计算得到的Ψn，再利用ΠF[2∏O(Ψn)-Ψn]或者ΠO(Ψn)计算得到目标物体的复振幅分布函数Oz(r)。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。进一步地，在探针函数已知时，通过计算公式a计算得到在探针函数未知时，先建立一个探针函数，再通过计算公式a和计算公式b进行迭代计算得到和进一步地，出射波函数ψm(k)(r)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，本专利技术的有益效果为：本专利技术的一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法，通过采用不同会聚角的荷电粒子束对目标物体进行扫描，从而可以得到含有高频信息和低频信息的衍射图案集；通过将衍射图案集进行混合得到混合衍射图案集，使得混合衍射图案集均匀分布有高频信息和低频信息，根据混合衍射图案集重构目标物体图像，可以有效去除噪声，从而可以得到清晰完整的目标物体图像。附图说明图1为本专利技术一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法的流程示意图；图2为实施例2中会聚角为2mrad的荷电粒子束下所得衍射图案集重构的目标物体图像示意图；图3为实施例2中会聚角为12mrad的荷电粒子束下所得衍射图案集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集重构的目标物体图像示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法，其特征在于，利用不同会聚角的荷电粒子束对目标物体进行扫描得到若干个衍射图案集，将不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案集进行混合得到混合衍射图案集，再采用重构算法并根据混合衍射图案集重构得到目标物体图像；其中，混合衍射图案集均匀分布有不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案。/n

【技术特征摘要】
1.一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法，其特征在于，利用不同会聚角的荷电粒子束对目标物体进行扫描得到若干个衍射图案集，将不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案集进行混合得到混合衍射图案集，再采用重构算法并根据混合衍射图案集重构得到目标物体图像；其中，混合衍射图案集均匀分布有不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案。


2.根据权利要求1所述的一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法，其特征在于，通过以下公式获取不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案集：
设Pk(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：ψm(k)(r)＝Pk(r-Rm(k))O(r)；
出射波函数ψm(k)(r)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代表不同会聚角的荷电粒子束的编号，r表示目标物体平面的坐标，m表示第m个扫描阵列位置，Rm表示第m个扫描位置的平面坐标。


3.根据权利要求1所述的一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法，其特征在于，将不同会聚角的荷电粒子束对应的衍射图案集进行混合得到混合衍射图案集的具体过程为：设定不同会聚角的荷电粒子束为J种，每种荷电粒子束对应的衍射图案数量为H个，从每种荷电粒子束对应的衍射图案集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集，混合衍射图案集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所述的一种多会聚角混合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，Ak(q)代表荷电粒子束在探测器上的强度分布，k代表不同会聚角的荷电粒子束的编号，q代表探测器对应的空间坐标，i为虚数单位，IFFT为逆傅里叶变换，χk(q)为不同探针函数对应的像差函数。


5.根据权利要求2所述的一种多会聚角混合扫描电子显微成像方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，张炜阳，裴旭东，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32