CN107796837A - 一种成像装置、成像方法及成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像装置、成像方法和成像系统，属于样品图像数据的获取及成像技术领域；一种成像装置，包括荷电粒子源，会聚系统，扫描控制系统，探测模块，置于探测模块下方的光谱分析模块；所述探测模块包括若干个像素化探测器单元，在该探测模块上开设有孔洞。本发明成像装置，包括开孔的探测模块和光谱分析模块，利用开孔的探测模块获得衍射图案，光谱分析模块将穿过开孔的荷电粒子束进行光谱分析，实现一次扫描同时获得衍射图案及光谱信号；本发明成像方法基于空心层叠成像方法，能够实现对开孔的探测模块得到的衍射图案进行成像，成像效果好。

Description

一种成像装置、成像方法及成像系统

技术领域

本发明属于样品图像数据的获取及成像技术领域，具体是涉及一种成像装置、成像方法及成像系统。

背景技术

在传统透射电子显微镜(CTEM)，使用平行电子束入射样品，而不是会聚的电子束到样品表面，通常使用CCD作为探测器，可以一次收集到电子在整个CCD范围内每个像素点上的信号，如中国专利CN105575749A中，利用CCD来成像获得透射电子衍射图案。扫描透射电子显微镜结构(STEM)是会聚经过一定能量加速的电子束，使其会聚点处于样品表面，然后控制电子束扫描样品，再通过探头收集透过样品的电子束信号，进行成像的装置，STEM相较于CTEM，由于其分辨率高，可以同时加装其它附加设备，所以在物理、化学、材料科学、生物学等学科有广泛地应用。现代的扫描透射电子显微镜，例如美国专利US4099055A，描述了一种系统，一束电子，被一个会聚系统约束并聚焦，在扫描系统的控制下扫描样品，使用一种探测器接受明场或者暗场的穿过样品的信号，通过一定的显微镜结构设计，可以同时获得明场、暗场等不用的信号，一次扫描获得多幅图像。

现行商业扫描透射电子显微镜结构是一个高度集成化并且复杂的系统，通常会包含很多其它附加设备，例如各种光谱分析装置，典型的有电子能量损失能谱，例如美国专利US4743756A和US8334512，通常区分每个扫描点不同能量损失的电子，来测定样品的成分、化学状态等信息。因此进行光谱分析具有重大的意义。

现行商业扫描透射电子显微镜结构通常采用一组环形探头来探测不同收集角的散射电子，来形成不同衬度的图形，电子束如果不被用于成像，则经常被用于特征谱分析，如电子能量损失谱分析等；HAADF、ADF、ABF、BF等是使用环形探头的常见技术，这几种方法的区别在于收集角的不同，而不同的收集角使得图像能够拥有不同的衬度，例如重元素，适合使用HADDF成像；采用环形探头成像方法的优点是成像速度快，但是特征谱分析不能与成像同时进行且在成像过程中透射电子显微镜结构不能同时得到多种电子信号；后来出现了分割的环形探头，如美国专利US2016254118A1中提及的分割探头，特征是将环形探头分割成若干个区域，每个区域可以获得独立的信号，DPC和衍生的iDPC技术通常采用该分割的环形探头，用非对称的信号进行样品电势或电量的测量；虽然能够达到透射电子显微镜结构同时得到多种电子信号的效果，但是最终效果并没有达到像素化，并非像素化探测器阵列。

像素化探头阵列采集像素点阵模式的信号，并对该像素化信号进行后续的处理，例如DPC(微分相位衬度)、iDPC(积分微分相位衬度)、HAADF(高角环形暗场像)、ADF(环形暗场像)、ABF(环形明场像)、BF(明场像)等成像方法。

综上所述，如何实现一次扫描同时获得衍射图案及光谱信号，且在获得衍射图案的过程中可以同时达到像素化探测模块的功效，该研究具有十分重要的意义。

叠层成像方法是一种基于扫描相干衍射的成像方法，结合相位恢复算法的成像手段，相比传统的透射扫描成像方法，该方法不需要传统的物镜成像，可以避免相差等缺陷。并且已经在可见光域、x射线，电子显微镜等不同波长条件下得到证实，结果显示在成像质量和成像分辨率上都有明显优势。叠层成像是采用一种获取图像的装置，获取图像用于重构目标图像，整个过程中主要是对相位的重构。叠层成像迭代引擎是采用通过移动探针函数获得重构图像的算法。增强型叠层成像迭代引擎，可以在迭代过程中获得初始未知的探针函数，和叠层成像含有共同的技术基础。由此可见，叠层成像必须是在获得衍射图案基础上进行的，通过对扫描过程中的衍射图案的数学处理获得叠层成像的结果。

综上所述，现行的扫描透射电子显微镜中没有能够同时获得汇聚电子衍射图案和进行光谱分析的装置，即使研究得出实现该功能的装置，现有技术中的叠层成像方法以及衍生出的叠层成像迭代引擎方法和增强型叠层成像迭代引擎方法等，如何针对该装置获得的衍射图案进行层叠成像仍然是一个难题。

因此，如何改进现有层叠成像方法使之适应各种扫描透射电子显微镜装置，显得十分重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，现有扫描透射电子显微镜不能同时获取衍射图案和光谱数据以及现有技术中层叠成像等方法无法针对该装置成像，本发明提供一种成像装置，实现一次扫描同时获得衍射图案及光谱信号，提高获取数据的效率，一种成像方法，能够针对特殊的成像装置层叠成像，且成像分辨率高、图像质量好。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种成像装置，包括荷电粒子源，用于发射荷电粒子；

会聚系统，用于约束并会聚荷电粒子束；

扫描控制系统，用于控制荷电粒子束在样品上的扫描；

样品；

探测模块，用于接收荷电粒子，并检测荷电粒子信号强度；

置于探测模块下方的光谱分析模块，用于分析荷电粒子的谱学特征；

所述探测模块包括若干个像素化探测器单元，该探测模块上开设有孔洞。

该成像装置成像过程中，首先由荷电粒子源发射荷电粒子束，荷电粒子束进入会聚系统会聚，会聚后的荷电粒子束在样品表面上进行扫描，由扫描控制系统控制荷电粒子束在样品表面上扫描，样品表面一定区域被照射扫描，扫描过程中，每个扫描点上的荷电粒子束都会透过或部分透过样品，透过样品的荷电粒子束进入探测模块，其中一部分荷电粒子束被探测模块接收，另一部分荷电粒子束穿过探测模块的孔洞进入光谱分析模块，被探测模块接收的荷电粒子束能够被探测模块检测，一次给出在样品扫描范围内多个空间位置上的信号强度，进入光谱分析模块的荷电粒子束采用光谱分析模块得到光谱数据或者能量损失谱等。使用开孔的探测模块获得衍射图案，并使用穿过孔洞的荷电粒子束进行光谱分析，一次扫描同时获得衍射(散射)图案及光谱信号，可以提高获取数据的效率。

进一步地，所述孔洞包括但不限于圆形、方形或环形。

进一步地，所述探测模块包括但不限于方形、圆形和岛状。

本发明的一种成像方法，该方法包括以下步骤：

获取衍射图案；

利用空心层叠成像方法对获取的衍射图案进行层叠成像。首先用设有孔洞的成像装置获取衍射图案，再利用空心层叠成像方法对该衍射图案进行处理获得层叠成像。

进一步地，所述获取衍射图案的方法，基于一套成像装置，该成像装置包括荷电粒子源、会聚系统、扫描控制系统、样品和探测模块，探测模块包括若干个像素化探测器单元，该探测模块上开设有孔洞；

该方法包括以下步骤：

A：通过会聚系统将荷电粒子源发射的荷电粒子束会聚到样品表面；

B：通过扫描控制系统控制荷电粒子束在样品表面扫描；

C：荷电粒子束透过样品到达探测模块，探测模块中像素化探测器单元检测对应的扫描位置中荷电粒子的信号强度，获取对应的扫描位置的衍射图案；

D：荷电粒子束在样品(4)表面扫描时，扫描束斑对应的扫描区域R_i与其它扫描区域R_j存在非空集合R_overlap，R_overlap＝R_i∩R_j(i≤N,j≤N)，N为荷电粒子束在样品表面扫描区域的总数。即要求产生每个衍射图案的扫描区域与1个或多个其它产生衍射图案的扫描区域重叠，进一步保证最后得到的衍射图案没有缺失。

进一步地，利用空心层叠成像方法对获取的衍射图案进行层叠成像，具体包括以下步骤：

a：设P(r)为探针函数，O(r)为物体的复振幅分布函数，通过多次迭代计算重构O(r)，采用最终迭代计算重构的O(r)作为物体最终的复振幅分布函数，层叠成像基于物体最终的复振幅分布函数重构图像；

b：设Ψ_n,m为透过物体的出射波函数，Ψ_n,m定义为探针函数P(r)和物体的复振幅分布函数O(r)的乘积，则：

Ψ_n,m(r)＝P(r)·O_n(r+R_m) 公式(1)

公式(1)中，n表示O(r)的第n次迭代，m表示荷电粒子束在样品上第m个扫描位置，R_m表示荷电粒子束在样品上第m个扫描位置相对于第一个扫描位置的相对坐标矢量，r为空间坐标；

c：将透过物体的出射波函数Ψ_n,m进行傅里叶变换得到该出射波函数Ψ_n,m在远场的振幅和相位分布：

Ψ_n,m'(r)＝FFT{Ψ_n,m(r)}＝|A_n,m|exp(iΦ_n,m) 公式(2)

公式(2)中，|A_n,m|表示出射波函数Ψ_n,m在远场的振幅；Φ_n,m表示出射波函数Ψ_n,m在远场的相位；

d：利用实验装置采集透过样品的出射波远场光强，记为I_m，I_m表示荷电粒子束在样品上第m个扫描位置扫描后透过样品的出射波远场光强；

e：设限制函数M；

f：将代替出射波函数Ψ_n,m在远场的振幅|A_n,m|，并代入限制函数M，得到公式(3)：

g：对Ψ_n,m,new'(r)进行逆傅里叶变换，得到新的出射波函数Ψ_n,m,new(r)，见公式(4)，

Ψ_n,m,new(r)＝FFT^-1{Ψ_n,m,new'(r)} 公式(4)

h：根据新的出射波函数Ψ_n,m,new(r)计算得到新的物体的复振幅分布函数，见公式(5)，

公式(5)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；

i：采用新的物体的复振幅分布函数O_n+1(r+R_m)代入到公式(1)中开始再一次的迭代计算；

j：将最终迭代计算得到的物体的复振幅分布函数O_z(r+R_m)作为重构图像的基础，重构图像对O_n+1(r+R_m)的振幅和相位绘图得到。

通过公式(1)～公式(5)计算得到新的物体的复振幅分布函数后，采用新的物体的复振幅分布函数O_n+1(r+R_m)重新代入到公式(1)中开始再一次的迭代计算，将最终迭代计算得到的物体的复振幅分布函数O_z(r+R_m)作为重构图像的基础，重构图像就是对O_n+1(r+R_m)的振幅和相位绘图得到的。

进一步地，所述限制函数M与探测模块的结构有关。在离散化的条件下，用矩阵来表示该限制函数M，该矩阵中各元素值对应因变量，因变量函数值为1或0(但不限于1或0)，自变量为对应的二维位置坐标。

进一步地，O(r)的第1次迭代中，设物体的复振幅分布函数O₀(r+R_m)为随机分布函数。

本发明的一种成像系统，该系统包括一种成像装置和一种成像方法。

有益效果：

本发明与现有技术比较，具有的优点是：

1、本发明成像装置，包括开孔的探测模块和光谱分析模块，利用开孔的探测模块获得衍射图案，光谱分析模块将穿过开孔的荷电粒子束进行光谱分析，实现一次扫描同时获得衍射图案及光谱信号；

2、本发明成像装置，探测模块采用若干个像素化探测器单元排列组合，像素化探测器单元能够得到特定位置上的荷电粒子信号强度，进而获取衍射图案，得到的衍射图案精确度高；

3、本发明成像方法基于空心层叠成像方法，能够实现对开孔的探测模块得到的衍射图案进行成像，成像效果好；

4、本发明成像方法适用于开孔的成像装置，开孔的探测模块开孔形状不限于圆形、方形、环形等，且成像效果相比传统成像方法匹配传统成像装置得到的成像，图像分辨率高，图像质量高；

5、本发明的成像方法适用于开孔的成像装置，采用M函数对应该开孔的探测模块，可以对所有结构和形状的探测模块得到的衍射图案进行成像；

6、本发明采用相位衬度成像来作为最终的成像结果，相位衬度在轻元素成像的领域更有优势，成像效果更好。

附图说明

图1是本发明成像装置结构示意图；

图2是本发明探测模块结构示意图；

图3是本发明成像方法-空心层叠成像算法步骤流程图；

图4是实验原始图片信息；

图5是实验原始图片中用于重构区域的信息；

图6是实施例九中初始函数P(r)的振幅图像；

图7是实施例九中初始函数P(r)的相位图像；

图8是实施例九中M函数图像；

图9是实施例九中重构图像的振幅图像；

图10是实施例九中重构图像的相位图像；

图11是实施例十中重构图像的振幅图像；

图12是实施例十中重构图像的相位图像；

图13是实施例十一中M函数图像；

图14是实施例十一中重构图像的振幅图像；

图15是实施例十一中重构图像的相位图像；

图16是实施例十二中M函数图像；

图17是实施例十二中重构图像的振幅图像；

图18是实施例十二中重构图像的相位图像。

附图标号说明：

1、荷电粒子源；2、会聚系统；3、扫描控制系统；4、样品；5、探测模块；6、光谱分析模块；7、像素化探测器单元；8、孔洞。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例一：

本实施例的一种成像装置，参照图1，该装置包括有荷电粒子源1、会聚系统2、扫描控制系统3、样品4、探测模块5和置于探测模块5下方的光谱分析模块6；

荷电粒子源1用于发射荷电粒子；会聚系统2用于约束并会聚荷电粒子束；扫描控制系统3用于控制荷电粒子束在样品上的扫描，扫描方式允许但不限于移动荷电粒子束或移动样品；探测模块5用于接收荷电粒子并检测荷电粒子信号强度；置于探测模块5下方的光谱分析模块6用于分析荷电粒子的谱学特征；参照图2，本实施例中的探测模块5包括若干像素化探测器单元7，若干像素化探测器单元7排列组合得到探测模块5，若干像素化探测器单元7排列方式包括但不限于方形、圆形或岛状分布，每个像素化探测器单元7都能给出特定空间位置上的荷电粒子信号强度；在探测模块5上开设有孔洞8，孔洞8用于到达探测模块5上的荷电粒子束穿过孔洞8进入下方的光谱分析模块6，荷电粒子束照射到探测模块5上时，需保证有一部分荷电粒子束通过孔洞8的位置，到达下方的光谱分析模块6；

该成像装置成像过程中，首先由荷电粒子源1发射荷电粒子束，荷电粒子束进入会聚系统2会聚，会聚后的荷电粒子束在样品4表面上进行扫描，由扫描控制系统3控制荷电粒子束在样品4表面上扫描，样品4表面一定区域被照射扫描，扫描过程中，每个扫描点上的荷电粒子束都会透过或部分透过样品4，透过样品4的荷电粒子束进入探测模块5，其中一部分荷电粒子束被探测模块5接收，另一部分荷电粒子束穿过探测模块5的孔洞8进入光谱分析模块6，被探测模块5接收的荷电粒子束能够被探测模块检测，一次给出在样品扫描范围内多个空间位置上的信号强度，进入光谱分析模块6的荷电粒子束采用光谱分析模块得到光谱数据或者能量损失谱等。

本实施例装置使用开孔的探测模块获得衍射图案，并使用穿过孔洞的荷电粒子束进行光谱分析，一次扫描同时获得衍射(散射)图案及光谱信号，可以提高获取数据的效率。

实施例二：

本实施例的一种成像装置，基于实施例一，参照图2，孔洞8包括但不限于圆形、方形或环形。会聚系统2和扫描控制系统3能够精确的确认荷电粒子束在样品表面照射的区域范围、区域范围大小和相对位置，每一次荷电粒子束在样品表面扫描时探测模块5获得的衍射图案和光谱分析模块6获得的光谱数据都能明确是荷电粒子束透射样品上的特定位置和区域产生的，定义荷电粒子束照射范围为R(照射区域内所有点相对原点的坐标的集合)，获得的衍射图案D(D是每个探测器单元得到信号大小(光强)的集合)，获得的谱学数据S(光谱分析模块6获取)，成像装置在扫描过程中每次扫描同时获得(R，D，S)的数据信息。

实施例三：

本实施例的一种成像方法，包括获取衍射图案的方法和利用空心层叠成像方法对获取的衍射图案进行层叠成像的方法。

其中，获取衍射图案的方法是基于一套成像装置，该成像装置参照图1和图2，包括荷电粒子源1、会聚系统2、扫描控制系统3、样品4和探测模块5，探测模块5包括若干个像素化探测器单元7组成，在该探测模块5上开设有孔洞8；其中，荷电粒子源1用于发射荷电粒子；会聚系统2用于约束并会聚荷电粒子束；扫描控制系统3用于控制荷电粒子束在样品表面上的扫描，扫描方式包括但不限于移动荷电粒子束或移动样品；探测模块5用于接收荷电粒子并检测荷电粒子信号强度；本实施例中的探测模块5包括若干像素化探测器单元7，若干像素化探测器单元7排列组合得到探测模块5，排列方式包括但不限于方形、圆形或岛状分布，每个像素化探测器单元7都能给出特定空间位置上的荷电粒子信号强度；

该方法步骤如下：通过会聚系统2将荷电粒子源1发射的荷电粒子束会聚到样品4表面；通过扫描控制系统3控制荷电粒子束在样品4表面扫描；荷电粒子束透过样品4到达探测模块5，探测模块5中像素化探测器单元7检测对应的扫描位置中荷电粒子的信号强度，开设有孔洞8的探测模块5获取对应的扫描位置的衍射图案；通过扫描控制系统3控制荷电粒子束在样品4表面扫描：会聚系统2和扫描控制系统3能够精确的确认荷电粒子束在样品表面照射的区域范围、区域范围大小和相对位置，每一次荷电粒子束在样品表面扫描时探测模块5获得的衍射图案能明确是荷电粒子束透射样品上的特定位置和区域产生的，定义荷电粒子束照射范围为R(照射区域内所有点相对原点的坐标的集合)，获得的衍射图案D(D是每个探测器单元得到信号大小(光强)的集合)，成像装置在扫描过程中每次扫描同时获得(R，D)的数据信息。衍射图案基于探测模块4中的探测器单元得到的带电粒子强度；

荷电粒子束在样品4表面扫描获得一组样品的衍射图案信息，该信息包括扫描位置信息和衍射图案信息，如{(R₁,D₁),(R₂,D₂)...(R_N,D_N)}，荷电粒子束在样品4表面扫描区域R_i与其它一个或多个扫描区域R_j存在非空集合R_overlap，R_overlap＝R_i∩R_j(i≤N,j≤N)，N为荷电粒子束在样品(4)表面扫描的扫描区域的总数，即要求产生每个衍射图案的扫描区域与1个或多个其它产生衍射图案的扫描区域重叠。

实施例四：

本实施例的一种成像方法，基于实施例三，基于空心层叠成像算法(Hollow-Ptychography)用于对探测模块5获得的衍射图案进行处理获得图像，该成像方法能够通过荷电粒子的衍射图案获得相位衬度的样品图像，基于衍射图案的初始数据和出射波的初始猜测的迭代过程，重构出射波振幅和相位信息，

重构的相位、振幅和成像的关系：

重构最终的结果是一个O(r)函数，其自变量是位置坐标，值可以理解为在特定位置坐标下荷电粒子束透过样品的振幅和相位改变量，可以约定，对荷电粒子束的振幅和相位改变量的相对值换算成不同的灰度值，利用其不同空间坐标时振幅和相位变化大小不同来获得一张灰度图片，可以理解为重构的成像。利用O(r)中振幅变化的大小成像称为幅度衬度像，相位变化的大小成像称为相位衬度像。

该方法参照图3，包括以下步骤：

设P(r)为探针函数(Probe function)，探针函数为荷电粒子束到达样品之前的入射波函数，r为空间坐标；

设O(r)为物体的复振幅分布函数，物体的复振幅分布函数能够充分反映物体的结构和特性，其值表示样品的特点位置对经过的荷电粒子束的作用(具体体现在振幅和相位的变化)，O(r)为目标函数，为复函数，本实施例方法通过多次迭代计算重构O(r)，采用最后一次迭代计算的O(r)作为物体的复振幅分布函数，r为空间坐标，O_n(r)表示第n次迭代中的目标函数，在整个迭代过程中，O_n(r)的值也会随着变化，最终的重构图像就是对O_n(r)的振幅和相位绘图得到的；

设Ψ_n,m为透过物体的出射波函数，透过物体的出射波函数Ψ_n,m定义为探针函数P(r)和物体的复振幅分布函数O(r)的乘积，则：

Ψ_n,m(r)＝P(r)·O_n(r+R_m) 公式(1)

公式(1)中，n表示O(r)的第n次迭代，m表示荷电粒子束在样品上第m个扫描位置，R_m表示荷电粒子束在样品上第m个扫描位置相对于第一个扫描位置的相对坐标矢量；

将透过物体的出射波函数Ψ_n,m进行傅里叶变换得到该出射波函数Ψ_n,m在远场的振幅和相位分布：

Ψ_n,m'(r)＝FFT{Ψ_n,m(r)}＝|A_n,m|exp(iΦ_n,m) 公式(2)

公式(2)中，|A_n,m|表示在第n次迭代中出射波函数Ψ_n,m在远场的振幅；Φ_n,m表示在第n次迭代中出射波函数Ψ_n,m在远场的相位，i为虚数单位；

出射波函数通常用复数形式表示，荷电粒子束的性质可以用波函数来描述，包括了实部和虚部，可以用波函数的相位和振幅来表示，则|Ψ(r)|²对应空间中某个位置(r)上的荷电粒子束的强度，是可以实际测量的，利用实验装置采集荷电粒子束在样品上第m个扫描位置的远场光强，记为I_m；

设限制函数M，函数M与上述成像系统中探测模块的形状有关，限制函数M是一个实数函数，和衍射图案(D)的空间大小相同，是空间坐标的函数，其值控制衍射图案(D)上不同空间坐标的信号在迭代过程中的权重，具体到实验中时，M函数取值和探测模块的具体结构和形状有关。

将代替出射波函数Ψ_n,m在远场的振幅|A_n,m|，并代入限制函数M，得到公式(3)：

对Ψ_n,m,new'(r)进行逆傅里叶变换，得到新的出射波函数Ψ_n,m,new(r)，见公式(4)

Ψ_n,m,new(r)＝FFT^-1{Ψ_n,m,new'(r)} 公式(4)

根据新的出射波函数Ψ_n,m,new(r)计算得到新的物体的复振幅分布函数，见公式(5)

公式(5)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；

通过公式(1)～公式(5)计算得到新的物体的复振幅分布函数后，采用新的物体的复振幅分布函数O_n+1(r+R_m)重新代入到公式(1)中开始再一次的迭代计算，将最终迭代计算得到的物体的复振幅分布函数O_z(r+R_m)作为重构图像的基础，重构图像就是对O_n+1(r+R_m)的振幅和相位绘图得到的。

实施例五：

本实施例的一种成像方法，基于实施例四，限制函数M与探测模块5的结构有关；

在离散化的条件下，用矩阵函数来表示该限制函数M，该矩阵函数中各元素值对应因变量，因变量函数值为1或0，自变量为对应的二维位置坐标；

另外在仿真程序计算中将该限制函数M直接用矩阵函数表示，矩阵函数与探测模块5的结构有关，矩阵函数的位置坐标对应探测模块5的位置坐标，矩阵函数中因变量函数值为1的位置坐标对应探测模块5上孔洞8的位置坐标；

在仿真程序中，将矩阵函数对应一个图像，将矩阵函数中因变量函数值为1的位置坐标在图像中均显示为白色，将矩阵函数中因变量函数值为0的位置坐标在图像中均显示为黑色，则矩阵函数M对应的图像中白色显示的区域对应探测模块5上孔洞的位置。

实施例六：

本实施例的一种成像方法，基于实施例五，在O(r)的第1次迭代中，物体的初始复振幅分布函数O₀(r+R_m)随机分布；将物体的初始复振幅分布函数O₀(r+R_m)和探针函数P(r)的乘积作为透过物体的出射波函数Ψ_n,m，则：Ψ_n,m(r)＝P(r)·O₀(r+R_m)。

实施例七：

本实施例的一种成像方法，基于实施例五，在O(r)的第1次迭代中，物体的初始复振幅分布函数O₀(r+R_m)在有其它先验条件的时候，可以通过其它方式获得一个样品的低分辨率的像，希望在这个低分辨率的像的基础上获得一个高分辨的像，此时直接使用低分辨像作为O(r)的初始复振幅分布函数O₀(r+R_m)。

实施例八：

本实施例的一种成像方法，基于实施例五，荷电粒子束会聚在样品表面，进行样品扫描后，大部分荷电粒子束到达探测模块，但仍有荷电粒子束通过探测模块的孔洞8，通过探测模块的孔洞8的荷电粒子束的信号强度不被探测模块探测，导致对应的衍射图案的缺失。作为补偿，在探测模块5上开设的孔洞8的弧度即获取衍射图案的收集角范围为5mrad～22mrad，该情况下，荷电粒子束会不断扫描样品，每个扫描区域都会和其它若干个区域有重合，在接下来的扫描位置中缺失的衍射图案会重新得到；孔洞8中间足够小，边界足够大，满足这样的条件才能在不使成像质量降低的条件下，利用开孔的探测模块获得完整的重构结果。

实施例九：

本实施例的一种成像方法，基于实施例八，以图4作为探测模块5获取得到的衍射图案验证算法的可行性，该衍射图案中包含了原始的相位信息和振幅信息，图片分辨率为256*256，通过空心层叠成像方法将其部分区域(参照图5)重构，重构区域上的扫描点数为8100个(90*90)，其衍射图案的收集角为22mrad；

计算机模拟的探测器在每个扫描点上获得衍射图案分辨率为512*512，可调节的参数α和β控制对于迭代次数的目标函数变化幅度，是可以自由设定的参数，典型值为0.1～0.01，该实施例中参数选取为α＝0.01，β＝0.01；

P(r)函数是以平面上的位置为变量的二维的复函数，其形式不唯一，在层叠成像算法中，P(r)函数在迭代中不变，该实施例是在P(r)不改变的条件下用计算机模拟的；该实施例中使用的P(r)函数图像见图6和图7所示，图6为P(r)函数的振幅图像，图7为P(r)函数的相位图像；

在实际的实验中，M函数取决于探测模块的结构和形状，可以通过计算机模拟的方式使用不同的M函数进行重构，M函数是一个二维(平面)实函数，通常其在平面上的大小(像素分辨率)和实际探测模块的物理(像素)分辨率相同，在这个实施例中M函数的像素分辨率为512*512，该实施例中的M函数的特征是中央半径91个像素的圆形区域内取值为1，用白色表示，其他区域取值为0，用黑色表示，对应的探测模块上开设的孔洞为圆形，获取衍射图案的收集角为22mrad，即荷电粒子束延光轴发散角为22mrad的区域取值为1，其余区域为0，使用的M函数(矩阵函数)对应的图像见下图8；

该实施例中运行迭代循环数为10个循环；通过计算机模拟仿真得到的最终重构图像的振幅图像如图9所示，重构的相位图像如图10所示。

实施例十：

本实施例基于实施例九，除运行迭代循环次数为50个循环外，其余参数条件与实施例九均一致，用来实验重构图像，重构图像结果如图11、图12所示，图11为重构图像的振幅图像，图12为重构的相位图像。

实施例十一：

本实施例基于实施例九，运行迭代循环次数为50个循环，M函数特征在于中央内半径20像素、外半径90像素的区域中取值为1，用白色表示，其余区域取值为0，用黑色表示，参照图13，对应的探测模块上开设的孔洞为环形孔，圆环部分相当于发散角为5mrad～22mrad；

其余参数条件与实施例六均一致，用来实验重构图像，重构图像结果如图14、图15所示，图14为重构图像的振幅图像，图15为重构的相位图像。

实施例十二：

本实施例基于实施例九，运行迭代循环次数为50个循环，M函数特征在于中央边长100pixel的正方形区域为1，用白色表示，其余区域为0，用黑色表示，参照图16，对应的探测模块上开设的孔洞为方孔；其余参数条件与实施例六均一致，用来实验重构图像，重构图像结果如图17、图18所示，图17为重构图像的振幅图像，图18为重构的相位图像。

实施例十三：

一种成像系统，该系统包括一种成像装置和一种成像方法，成像方法采用空心层叠成像算法，成像装置采用设有孔洞的成像装置，首先用设有孔洞的成像装置获取衍射图案，再利用空心层叠成像方法对该衍射图案进行处理获得层叠成像。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种成像装置，其特征在于，

包括荷电粒子源(1)，用于发射荷电粒子；

会聚系统(2)，用于约束并会聚荷电粒子束；

扫描控制系统(3)，用于控制荷电粒子束在样品上的扫描；

样品(4)；

探测模块(5)，用于接收荷电粒子，并检测荷电粒子信号强度；

置于探测模块(5)下方的光谱分析模块(6)，用于分析荷电粒子的谱学特征；

所述探测模块(5)包括若干个像素化探测器单元(7)，该探测模块(5)上开设有孔洞(8)。

2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述孔洞(8)包括但不限于圆形、方形或环形。

3.根据权利要求1或2所述的成像装置，其特征在于，所述探测模块(5)包括但不限于方形、圆形和岛状。

4.一种成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

获取衍射图案；

利用空心层叠成像方法对获取的衍射图案进行层叠成像。

5.根据权利要求4所述的成像方法，其特征在于，所述获取衍射图案的方法，基于一套成像装置，该成像装置包括荷电粒子源(1)、会聚系统(2)、扫描控制系统(3)、样品(4)和探测模块(5)，探测模块(5)包括若干个像素化探测器单元(7)，该探测模块(5)上开设有孔洞(8)；

该方法包括以下步骤：

A：通过会聚系统(2)将荷电粒子源(1)发射的荷电粒子束会聚到样品(4)表面；

B：通过扫描控制系统(3)控制荷电粒子束在样品(4)表面扫描；

C：荷电粒子束透过样品(4)到达探测模块(5)，探测模块(5)中像素化探测器单元(7)检测对应的扫描位置中荷电粒子的信号强度，获取对应的扫描位置的衍射图案；

D：荷电粒子束在样品(4)表面扫描时，扫描束斑对应的扫描区域R_i与其它扫描区域R_j存在非空集合R_overlap，R_overlap＝R_i∩R_j(i≤N,j≤N)，N为荷电粒子束在样品(4)表面扫描区域的总数。

6.根据权利要求4或5所述的成像方法，其特征在于，利用空心层叠成像方法对获取的衍射图案进行层叠成像，具体包括以下步骤：

a：设P(r)为探针函数，O(r)为物体的复振幅分布函数，通过多次迭代计算重构O(r)，采用最终迭代计算重构的O(r)作为物体最终的复振幅分布函数，层叠成像基于物体最终的复振幅分布函数重构图像；

b：设Ψ_n,m为透过物体的出射波函数，Ψ_n,m定义为探针函数P(r)和物体的复振幅分布函数O(r)的乘积，则：

Ψ_n,m(r)＝P(r)·O_n(r+R_m) 公式(1)

公式(1)中，n表示O(r)的第n次迭代，m表示荷电粒子束在样品上第m个扫描位置，R_m表示荷电粒子束在样品上第m个扫描位置相对于第一个扫描位置的相对坐标矢量，r为空间坐标；

c：将透过物体的出射波函数Ψ_n,m进行傅里叶变换得到该出射波函数Ψ_n,m在远场的振幅和相位分布：

Ψ_n,m'(r)＝FFT{Ψ_n,m(r)}＝|A_n,m|exp(iΦ_n,m) 公式(2)

公式(2)中，|A_n,m|表示出射波函数Ψ_n,m在远场的振幅；Φ_n,m表示出射波函数Ψ_n,m在远场的相位；

d：利用实验装置采集透过样品的出射波远场光强，记为I_m，I_m表示荷电粒子束在样品上第m个扫描位置扫描后透过样品的出射波远场光强；

e：设限制函数M；

f：将代替出射波函数Ψ_n,m在远场的振幅|A_n,m|，并代入限制函数M，得到公式(3)：

g：对Ψ_n,m,new'(r)进行逆傅里叶变换，得到新的出射波函数Ψ_n,m,new(r)，见公式(4)，

Ψ_n,m,new(r)＝FFT^-1{Ψ_n,m,new'(r)} 公式(4)

h：根据新的出射波函数Ψ_n,m,new(r)计算得到新的物体的复振幅分布函数，见公式(5)，

公式(5)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；

i：采用新的物体的复振幅分布函数O_n+1(r+R_m)代入到公式(1)中开始再一次的迭代计算；

j：将最终迭代计算得到的物体的复振幅分布函数O_z(r+R_m)作为重构图像的基础，重构图像对O_n+1(r+R_m)的振幅和相位绘图得到。

7.根据权利要求6所述的成像方法，其特征在于，所述限制函数M与探测模块(5)的结构有关。

8.根据权利要求7所述的成像方法，其特征在于，O(r)的第1次迭代中，设物体的复振幅分布函数O₀(r+R_m)为随机分布函数。

9.一种成像系统，其特征在于，该系统包括如权利要求1～3中任意一项所述的成像装置和如权利权利要求4～8中任意一项所述的成像方法。