基于4DSTEM图像序列的三维重构方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于4D STEM图像序列的三维重构方法和装置，涉及电镜三维重构技术领域。该方法具体实施方式包括：在扫描透射成像模式，对包含样品的实空间进行会聚电子束扫描；收集设定范围内的不同散焦深度的多组CBED图像数据，N1：利用确定出的不同散焦深度的层间距、会聚电子束的会聚角和不同探针位置收集到的属于同一散焦深度的CBED图像数据，获取不同散焦的图层图像；N2：利用不同散焦的图层图像构建样品的当前三维结构，并对当前三维结构进行评估，在评估结果指示满足预设收敛条件的情况下，确定当前三维结构为样品三维结构；否则，调整散焦深度的层间距，并执行步骤N1。该实施方式有效地提高重构的三维结构的准确性。方式有效地提高重构的三维结构的准确性。方式有效地提高重构的三维结构的准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于4D STEM图像序列的三维重构方法和装置


[0001]本专利技术涉及电镜三维重构
，尤其涉及一种基于4D STEM图像序列的三维重构方法和装置。

技术介绍

[0002]透射电子显微镜(TEM)三维重构技术(下述简称电镜三维重构)是电子显微术、电子衍射与计算机图像处理相结合而形成的具有重要应用前景的一门新技术。其已成为器件比如电池、芯片等电组件和材料的三维结构表征的重要手段之一。
[0003]目前，电镜三维重构主要是样品在样品杆上绕旋转轴旋转过程中，在样品杆的不同倾角下，对样品进行拍照得到一系列电镜图片，然后基于中心截面定理，对电镜图片进行图像处理，得到三维结构的电子密度图。
[0004]目前所使用的电镜三维重构方式，由于样品杆厚度的影响，需要控制样品杆的旋转角度在
±
70
°
范围内，以保证拍摄电镜图片过程中样品杆不会遮挡样品，可引起丢失楔形边缘的缺陷，导致三维结构重构误差较大。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术实施例提供一种基于4D STEM图像序列的三维重构方法和装置，能够通过样品的不同散焦深度的多组逐点会聚束电子衍射(CBED)图像数据，为样品构建出三维结构，能够避免楔形边缘丢失，以有效的降低重构的三维结构的误差，并提高重构的三维结构的准确性。
[0006]为实现上述目的，根据本专利技术实施例的一个方面，提供了一种基于4D STEM图像序列的三维重构方法，包括：
[0007]在扫描透射成像模式下，对包含样品的实空间在多个探针位置进行会聚电子束扫描；
[0008]针对每一个所述探针位置，同步收集设定范围内的不同散焦深度的多组逐点会聚束电子衍射(CBED)图像数据，其中，所述样品至少部分区域位于所述设定范围内；
[0009]循环执行下述步骤N1和N2，直至得到满足预设收敛条件的三维结构：
[0010]N1：利用确定出的不同散焦深度的层间距、会聚电子束的会聚角和不同探针位置收集到的属于同一散焦深度的逐点CBED图像数据，获取不同散焦的图层图像；
[0011]N2：利用不同散焦的图层图像构建所述样品的当前三维结构，并对所述当前三维结构进行评估，在评估结果指示所述当前三维结构满足预设的收敛条件的情况下，确定所述当前三维结构为所述样品的三维结构；否则，调整不同散焦深度的层间距，并执行步骤N1。
[0012]可选地，通过电子显微镜像素阵列探测器执行收取设定范围内的不同散焦深度的多组逐点CBED图像数据的步骤。
[0013]可选地，上述三维重构方法，还包括：
[0014]按照电子束扫描坐标，将在不同探针位置收集到的属于同一散焦深度的逐点CBED图像数据组成衍射盘图像；
[0015]所述获取不同散焦的图层图像，包括：
[0016]针对每一个所述散焦深度的衍射盘图像，确定所述衍射盘图像包括的像素图像；
[0017]利用确定出的不同散焦深度的层间距、会聚电子束的会聚角和多个所述衍射盘图像包括的像素图像，计算所述衍射盘图像所包含的像素图像相对中心的位移量；
[0018]根据所述位移量，位移所述像素图像；
[0019]通过处理位移后的像素图像，得到不同散焦的图层图像。
[0020]可选地，所述处理位移后的像素图像，包括：
[0021]对位移后的像素图像上的像素点进行加和及投影处理，以得到由多个所述衍射盘图像所对应的散焦图像构成的散焦图像序列；
[0022]将所述散焦图像序列中每相邻两个散焦图像进行像素点差值处理；
[0023]按照预设的图像阈值，对像素点差值处理后的散焦图像序列进行分割，得到不同散焦的当前图层图像。
[0024]可选地，所述对所述当前三维结构进行评估，包括：
[0025]利用构建的所述当前三维结构的各个方向投影图以及所述三维结构的各个图层图像的像素强度，判断所述三维结构是否满足收敛条件。
[0026]可选地，三维重构方法，还包括：
[0027]将所述逐点CBED图像数据包括的负数像素值置零，并对所述逐点CBED图像数据进行归一化处理；
[0028]所述将在不同探针位置收取到的属于同一散焦深度的逐点CBED图像数据组成衍射盘图像，包括：
[0029]将属于同一散焦深度的归一化处理后的不同探针位置的逐点CBED图像数据组成衍射盘图像。
[0030]可选地，所述将在不同探针位置收取到的属于同一散焦深度的逐点CBED图像数据组成衍射盘图像，包括：
[0031]针对每一个散焦深度的逐点CBED图像数据，按照所述逐点CBED图像数据中各个像素点的像素强度，将所述逐点CBED图像数据转化为图像域积分图像；
[0032]将不同散焦深度的逐点CBED图像数据转化出的图像域积分图像组成衍射盘图像。
[0033]可选地，在所述组成衍射盘图像之后，还包括：
[0034]对所述衍射盘图像进行边沿提取，得到样品轮廓，将所述样品轮廓添加到所述收敛条件。
[0035]可选地，所述对所述衍射盘图像进行边沿提取，包括：
[0036]对所述衍射盘图像进行降噪处理；
[0037]通过预设的边界判据模型，提取所述衍射盘图像中不同相对信号强度的边界位置，以得到包括样品在三维空间内几何边缘形貌轮廓信息以及样品关键位置的边缘特征的样品轮廓。
[0038]可选地，上述三维重构方法，还包括：
[0039]以所述衍射盘图像的中心为圆心，从所述衍射盘图像选择一个或多个环形结构，
其中，每一个所述环形结构包括的多个像素点构成一个所述像素图像。
[0040]可选地，所述计算所述衍射盘图像所包含的像素图像相对中心的位移量，包括：
[0041]针对所述像素图像包括的每一个像素点，利用调整后的散焦深度的层间距或者初设的散焦深度的层间距、电子束夹角以及所述像素点在电子束入射方向上的像素点阵平面内的投影与构建的二维坐标系中x轴的夹角，分别计算所述像素点在所述像素点阵平面内向x坐标轴方向移动的像素距离以及向y坐标轴方向移动的像素距离；
[0042]根据所述像素图像包括的每一个所述像素点在所述像素点阵平面内向x坐标轴方向移动的像素距离以及向y坐标轴方向移动的像素距离，计算所述像素图像的偏移量。
[0043]可选地，所述位移所述像素图像，包括：
[0044]根据所述环形结构的偏移量，向中心位移所述像素图像所包括的多个像素点。
[0045]第二方面，本专利技术实施例提供一种基于4D STEM图像序列的三维重构装置，包括：数据收集模块和数据处理模块，其中，
[0046]所述数据收集模块，用于在扫描透射成像模式下，对包含样品的实空间在多个探针位置进行会聚电子束扫描的情况下，针对每一个所述探针位置，同步收取设定范围内的不同散焦深度的多组逐点会聚束电子衍射(CBED)图像数据，其中，所述样品的部分区域位于所述设定范围内；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于4D STEM图像序列的三维重构方法，其特征在于，包括：在扫描透射成像模式下，对包含样品的实空间在多个探针位置进行会聚电子束扫描；针对每一个所述探针位置，同步收集设定范围内的不同散焦深度的多组逐点会聚束电子衍射(CBED)图像数据，其中，所述样品至少部分区域位于所述设定范围内；循环执行下述步骤N1和N2，直至得到满足预设收敛条件的三维结构：N1：利用确定出的不同散焦深度的层间距、会聚电子束的会聚角和不同探针位置收集到的属于同一散焦深度的逐点CBED图像数据，获取不同散焦的图层图像；N2：利用不同散焦的图层图像构建所述样品的当前三维结构，并对所述当前三维结构进行评估，在评估结果指示所述当前三维结构满足预设的收敛条件的情况下，确定所述当前三维结构为所述样品的三维结构；否则，调整不同散焦深度的层间距，并执行步骤N1。2.根据权利要求1所述的三维重构方法，其特征在于，通过电子显微镜像素阵列探测器执行收取设定范围内的不同散焦深度的多组逐点CBED图像数据的步骤。3.根据权利要求1所述的三维重构方法，其特征在于，还包括：按照电子束扫描坐标，将在不同探针位置收集到的属于同一散焦深度的逐点CBED图像数据组成衍射盘图像；所述获取不同散焦的图层图像，包括：针对每一个所述散焦深度的衍射盘图像，确定所述衍射盘图像包括的像素图像；利用确定出的不同散焦深度的层间距、会聚电子束的会聚角和多个所述衍射盘图像包括的像素图像，计算所述衍射盘图像所包含的像素图像相对中心的位移量；根据所述位移量，位移所述像素图像；通过处理位移后的像素图像，得到不同散焦的图层图像。4.根据权利要求3所述的三维重构方法，其特征在于，所述处理位移后的像素图像，包括：对位移后的像素图像上的像素点进行加和及投影处理，以得到由多个所述衍射盘图像所对应的散焦图像构成的散焦图像序列；将所述散焦图像序列中每相邻两个散焦图像进行像素点差值处理；按照预设的图像阈值，对像素点差值处理后的散焦图像序列进行分割，得到不同散焦的当前图层图像。5.根据权利要求1至4任一所述的三维重构方法，其特征在于，所述对所述当前三维结构进行评估，包括：利用构建的所述当前三维结构的各个方向投影图以及所述三维结构的各个图层图像的像素强度，判断所述三维结构是否满足收敛条件。6.根据权利要求3所述的三维重构方法，其特征在于，还包括：将所述逐点CBED图像数据包括的负数像素值置零，并对所述逐点CBED图像数据进行归一化处理；所述将在不同探针位置收取到的属于同一散焦深度的逐点CBED图像数据组成衍射盘图像，包括：将属于同一散焦深度的归一化处理后的不同探针位置的逐点CBED图像数据组成衍射
盘图像。7.根据权利要求4所述的三维重构方法，其特征在于，所述将在不同探针位置收取到的属于同一散焦深度的逐点CBED图像数据组成衍射盘图像，包括：针对每一个散焦深度的逐点CBED图像数据，按照所述逐点CBED图像数据中各个像素点的像素强度，将所述逐点CBED图像数据转化为图像域积分图像；将不同散焦深度的逐点CBED图像数据转化出的图像域积分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大梁，周金飞，韦妮旎，王雨娇，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：