本申請涉及顯微，特別涉及一種降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、疊層成像方法相對于其他顯微成像方法有非常顯著的優(yōu)勢，提供超高分辨率的同時，能夠精細(xì)地定量分析材料微觀結(jié)構(gòu)。

2、相關(guān)技術(shù)中，傳統(tǒng)的疊層成像方法通常被視為相干衍射成像的一種，被稱為掃描相干衍射成像，而相干衍射成像實現(xiàn)相位恢復(fù)的基本原理是在倒空間進(jìn)行過采樣。傳統(tǒng)疊層成像方法繼承這一特點，記錄衍射圖時都存在不同程度的過采樣，因此實驗數(shù)據(jù)集通常尺寸較大。

3、然而，相關(guān)技術(shù)對于每一個掃描位置常常需要大于一萬個像素，這也導(dǎo)致傳統(tǒng)疊層成像方法相對其他成像方法顯著更長的數(shù)據(jù)采集時間。長的數(shù)據(jù)采集時間，會導(dǎo)致實驗狀態(tài)變化，樣品位置變化等，這些變化對成像質(zhì)量造成不可忽略的影響。隨著每個掃描位置數(shù)據(jù)采集量的增大，這種影響變得更顯著，給精確的定量分析帶來了巨大困難，亟待改善。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請?zhí)峁┮环N降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法及裝置，以解決疊層成像方法相對其他成像方法顯著更長的數(shù)據(jù)采集時間的問題。

2、本申請第一方面實施例提供一種降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法，包括以下步驟：利用粒子束掃描樣品，以采集滿足預(yù)設(shè)采樣率條件的衍射數(shù)據(jù)；在疊層成像算法重構(gòu)過程中，使用滿足第一預(yù)設(shè)條件的倒空間矩陣和滿足第二預(yù)設(shè)條件的倒空間像素尺寸，初始化樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)，得到初始化后的樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)；將算法得到的衍射數(shù)據(jù)的像素進(jìn)行合并，匹配滿足預(yù)設(shè)條件的目標(biāo)矩陣大小，根據(jù)所述目標(biāo)矩陣大小和實驗衍射數(shù)據(jù)計算損失函數(shù)，并判斷所述損失函數(shù)是否收斂至目標(biāo)值；如果所述損失函數(shù)未收斂至所述目標(biāo)值，則對所述初始化后的樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，直至達(dá)到預(yù)設(shè)收斂停止條件，得到優(yōu)化后的樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)，以根據(jù)所述優(yōu)化后的樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)得到疊層成像結(jié)果。

3、可選地，在本申請的一個實施例中，所述將所述衍射數(shù)據(jù)的像素進(jìn)行合并，匹配滿足預(yù)設(shè)條件的目標(biāo)矩陣大小，包括：獲取所述樣品的掃描位置，并根據(jù)所述掃描位置得到所述衍射數(shù)據(jù)；對所述衍射數(shù)據(jù)的像素進(jìn)行合并，得到與所述實驗衍射數(shù)據(jù)相等大小的矩陣。

4、可選地，在本申請的一個實施例中，所述損失函數(shù)的計算公式為：

5、

6、其中，b(·)代表將矩陣的像素合并，得到與實驗衍射數(shù)據(jù)相等大小的矩陣，j代表掃描位置的序號，u,v均代表實驗衍射強(qiáng)度矩陣坐標(biāo)，|·|代表分別計算矩陣中每個元素的模，代表計算矩陣的二維傅里葉變換，ψj為待優(yōu)化的出射波函數(shù)，ij為實驗采集到的衍射強(qiáng)度矩陣。

7、可選地，在本申請的一個實施例中，所述出射波函數(shù)的計算公式為：

8、

9、其中，p(r-rj)代表掃描到第j個位置的電子束，ol(r)代表第l層的樣品透射函數(shù)，代表菲涅爾衍射或其它作用。

10、本申請第二方面實施例提供一種降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像裝置，包括：采集模塊，用于利用粒子束掃描樣品，以采集滿足預(yù)設(shè)采樣率條件的衍射數(shù)據(jù)；初始化模塊，用于在疊層成像算法重構(gòu)過程中，使用滿足第一預(yù)設(shè)條件的倒空間矩陣和滿足第二預(yù)設(shè)條件的倒空間像素尺寸，初始化樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)，得到初始化后的樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)；判斷模塊，用于將算法得到的所述衍射數(shù)據(jù)的像素進(jìn)行合并，匹配滿足預(yù)設(shè)條件的目標(biāo)矩陣大小，根據(jù)所述目標(biāo)矩陣大小和實驗衍射數(shù)據(jù)計算損失函數(shù)，并判斷所述損失函數(shù)是否收斂至目標(biāo)值；優(yōu)化模塊，用于在所述損失函數(shù)收斂至所述目標(biāo)值時，對所述初始化后的樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，直至達(dá)到預(yù)設(shè)收斂停止條件，得到優(yōu)化后的樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)，以根據(jù)所述優(yōu)化后的樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)得到疊層成像結(jié)果。

11、可選地，在本申請的一個實施例中，所述判斷模塊包括：獲取單元，用于獲取所述樣品的掃描位置，并根據(jù)所述掃描位置得到所述衍射數(shù)據(jù)；合并單元，用于對所述衍射數(shù)據(jù)的像素進(jìn)行合并，得到與所述實驗衍射數(shù)據(jù)相等大小的矩陣。

12、可選地，在本申請的一個實施例中，所述損失函數(shù)的計算公式為：

13、

14、其中，b(·)代表將矩陣的像素合并，得到與實驗衍射數(shù)據(jù)相等大小的矩陣，j代表掃描位置的序號，u,v均代表實驗衍射強(qiáng)度矩陣坐標(biāo)，|·|代表分別計算矩陣中每個元素的模，代表計算矩陣的二維傅里葉變換，ψj為待優(yōu)化的出射波函數(shù)，ij為實驗采集到的衍射強(qiáng)度矩陣。

15、可選地，在本申請的一個實施例中，所述出射波函數(shù)的計算公式為：

16、

17、其中，p(r-rj)代表掃描到第j個位置的電子束，ol(r)代表第l層的樣品透射函數(shù)，代表菲涅爾衍射或其它作用。

18、本申請第三方面實施例提供一種電子設(shè)備，包括：存儲器、處理器及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序，以實現(xiàn)如上述實施例所述的降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法。

19、本申請第四方面實施例提供一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲計算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上的降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法。

20、本申請第五方面實施例提供一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計算機(jī)程序產(chǎn)品存儲計算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上的降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法。

21、本申請實施例在記錄實驗數(shù)據(jù)時，不要求對衍射圖進(jìn)行過采樣，只需要低采樣率實驗數(shù)據(jù)，但是在重構(gòu)時，將樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)精細(xì)采樣，保證在不損失樣品勢函數(shù)信息的前提下，降低實驗數(shù)據(jù)采樣率，減小實驗數(shù)據(jù)的尺寸，減少實驗采集時間，最小化數(shù)據(jù)采集時間過長帶來的成像質(zhì)量降低，使用少量的實驗數(shù)據(jù)得到高質(zhì)量的重構(gòu)結(jié)果。由此，解決了疊層成像方法相對其他成像方法顯著更長的數(shù)據(jù)采集時間的問題。

22、本申請附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本申請的實踐了解到。

技術(shù)特征：

1.一種降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將算法得到的衍射數(shù)據(jù)的像素進(jìn)行合并，匹配滿足預(yù)設(shè)條件的目標(biāo)矩陣大小，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述損失函數(shù)的計算公式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述出射波函數(shù)的計算公式為：

5.一種降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像裝置，其特征在于，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述判斷模塊包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述損失函數(shù)的計算公式為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述出射波函數(shù)的計算公式為：

9.一種電子設(shè)備，其特征在于，包括：存儲器、處理器及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序，以實現(xiàn)如權(quán)利要求1-4任一項所述的降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法。

10.一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機(jī)程序，其特征在于，該程序被處理器執(zhí)行，以用于實現(xiàn)如權(quán)利要求1-4任一項所述的降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法。

11.一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計算機(jī)程序，其特征在于，所述計算機(jī)程序被執(zhí)行，以用于實現(xiàn)如權(quán)利要求1-4任一項所述的降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法。

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及一種降低數(shù)據(jù)采樣率的疊層成像方法及裝置，其中，方法包括：利用粒子束掃描樣品，以采集滿足預(yù)設(shè)采樣率條件的衍射數(shù)據(jù)；使用滿足第一預(yù)設(shè)條件的倒空間矩陣和滿足第二預(yù)設(shè)條件的倒空間像素尺寸，初始化樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)；將算法得到的衍射數(shù)據(jù)的像素進(jìn)行合并，再與實驗衍射數(shù)據(jù)計算損失函數(shù)；如果損失函數(shù)未收斂至目標(biāo)值，則對初始化后的樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的樣品勢函數(shù)和束斑函數(shù)。重復(fù)上述操作，通過計算迭代過程以得到高質(zhì)量疊層成像結(jié)果。由此，解決了疊層成像方法相對其他成像方法顯著更長的數(shù)據(jù)采集時間的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：于榮,楊文峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30