一种可调光阑、光阑转换系统和电子显微镜

1.本发明涉及显微成像技术领域，更具体地说，涉及一种可调光阑、光阑转换系统和电子显微镜。


背景技术：

2.扫描透射电子显微术(stem)结合了透射电子显微镜与扫描电子显微术的原理，在扫描透射电子显微镜中，电子枪发射出的电子在电磁透镜及光阑的作用下会聚成原子尺度束斑直径的电子束，电子束聚焦在样品表面并通过控制偏移线圈来控制电子束斑在试样上逐点扫描目标区域。扫描过程中，电子束与样品相互作用产生多种信号，以相对较大角度散射的透射电子束被高角环形暗场探头捕获后经计算机处理后成像；通过检测电子束与样品作用产生的特征x射线的能量或波长来对样品进行元素分析；还可通过检测电子能量损失得到样品信息等。近年来还发展起来一种基于扫描透射电子显微术的4d
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stem技术，在该技术中电子探针在二维的样品区域的进行扫描，在每个扫描点得到一张二维的衍射图像，由此二维图像对应扫描点排列得到一张4d
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stem的衍射图集。
3.在电子显微镜中，光阑对成像有着重要的影响。在透射电子显微镜中，传递函数可以表示为
4.t(u)＝a(u)e(u)e
iχ(u)
5.其中，a(u)代表光阑，u代表光阑处的空间坐标，e(u)代表包络函数，e
iχ(u)
为像差函数。所以在其他条件相同时，所以被物镜光阑所遮挡住的光束将无法参与成像，既物镜光阑切断了空间频率，在物镜光阑以内的空间频率将完全传播，而在截至频率外的将无法参与成像，故只考虑物镜光阑的话，孔径尺寸越大则高频信息传递的越好，成像分辨率越高。
6.在扫描电子显微镜中，电子探针可以表示为：
7.p
k
(r)＝fft{a(q)e
iχ(q)
}
8.其中，a(q)代表光阑，q代表光阑处的空间坐标，fft为傅里叶变换，χ(q)为不同探针函数对应的像差函数。所以在其他条件相同时，不同孔径的光阑形成不同大小的会聚角。较小会聚角所成像低频特征传递的较好，高频特征传递较差，衬度较高，但是分辨率相对低；相反，较大会聚角所成像高频特征传递的较好，低频特征传递较差，分辨率较高，但衬度相对低。
9.中国专利申请，申请号202010387141.9，公开日20200724，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。该发明的方法为，利用不同会聚角的电子束对样品进行扫描得到若干个衍射图案集，再将不同会聚角的电子束对应的衍射图案集进行混合得到混合衍射图案集，再采用重构算法获取样品的完整的频段特征信息，从而可以得到更清晰完整的图像。但是，该方法在实际应用过程中需要在一个光阑下得到衍射图集后再更换另一个光阑进行采集，以此循环得到多个光阑下采集得到的衍射图集，进行抽排，不仅增加了任务量还增加了随机性，无法准确衍射图的排列。因此本发明致力于研究一种可以随衍射图像的生成而转换的光阑，从而使得到的衍射图集可以分布有规律变化的光
阑所得到的衍射图像。


技术实现要素：

10.1.要解决的问题
11.本发明的目的在于克服现有技术中，成像过程中光阑使用单一，光阑无法自动化同步成像进行转换。本发明提供了一种在电子显微镜成像过程中可以随衍射图像的生成而转换的光阑，通过获得在不同光阑下所拍摄的图像信息，用于多会聚角混合扫描电子显微成像，以获取目标物体的完整的频段特征信息，从而使得到的衍射图集可以分布有规律变化的光阑所得到的衍射图像，最终获得更清晰完整的目标物体图像。
12.2.技术方案
13.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
14.一种可调光阑，当电子探针在样品目标区域进行扫描成像时，可调光阑随电子探针的移动而进行光阑孔结构的转换，可调光阑包括两个旋转芯，所述旋转芯之间彼此镜像对应，所述旋转芯为圆柱体结构，圆柱体外表面的部分或全部区域向内凹陷形成截面为半圆形的凹槽，所述凹槽截面的直径连续减小，以满足光束调谐的需求，通过紧凑的结构，高度的调整精度，稳定性和可靠性，易于安装以及高功率光束有效地控制高精度，两个圆柱体旋转芯镜像相向旋转时，在彼此之间形成可变孔径的圆形光阑孔。
15.进一步地，旋转芯中心设置有旋转轴，至少一个旋转芯的旋转轴通过电机驱动，两个旋转芯通过电机驱动旋转。
16.进一步地，旋转芯的外表面设置为齿轮结构，两个旋转芯之间通过齿轮结构彼此啮合或者述旋转芯的顶部或底部设置有齿轮片，并与旋转芯固定，两个旋转芯的齿轮片彼此啮合。齿轮结构可以抵挡住旋转芯之间狭缝位置的电子，使得电子探针不发散。
17.进一步地，还可以设置可变光阑呈圆盘状，所述光阑盘在圆周方向上设置有若干不同结构的光阑孔，在中心位置设置有旋转轴，旋转轴通过电机驱动，可调光阑可旋转的进行设置。
18.进一步地，所述光阑孔的形状包括圆形、环形或正方形中的两个或两个以上。
19.一种用于电子显微镜的光阑转换系统，包括上述可调光阑中的任意一种，用于衍射成像，并将位置反馈信号输出至控制单元，还包括：
20.成像单元，用于完成本次成像工作并将成像完成信号传输给控制单元；
21.电磁透镜，用于控制电子束斑在样品上的位置；
22.控制单元，接收到成像完成信号后发出指令信号，以驱动电机运行，并且在接收到位置反馈信号后控制成像单元继续下一次成像；
23.驱动单元，在指令信号的控制下，发出驱动信号至电机；
24.伺服电机，接收到驱动信号后实现电机运行，并机械传动使光阑旋转。
25.更进一步的，所述的电机为一个或两个，电机为一个时候电机驱动一个旋转芯，另一个旋转芯通过传动部件进行从动旋转，电机为两个时候分别驱动一个旋转芯。
26.一种电子显微镜，其特征在于，包括上述所述的可调光阑或所述的光阑转换系统。
27.3.有益效果
28.相比与现有技术，本发明的优点在于：
29.本发明公开的一种电子显微镜同步成像的光阑转换装置，通过在电子显微镜中增加光阑自动转换装置，同时改变传统光阑的结构与传动方式，从而可使光阑转换与成像同步，可自动化获得一系列在不同光阑作用下所得的图像，用于多会聚角混合扫描电子显微成像，以获取目标物体的完整的频段特征信息，最终获得更清晰完整的目标物体图像。同时，本发明公开的齿轮结构还可抵挡住两个旋转芯之间狭缝位置的电子，使得电子探针不发散。
附图说明
30.图1为现有技术发明整体结构示意图；
31.图2为光阑转换装置；
32.图3为实施例1中的光阑侧视图；
33.图4为实施例1中的光阑俯视图；
34.图5为实施例2中的光阑侧视图。图6为实施例3中的光阑示意图。
35.图中标号说明：1.调节手柄，2.光阑片，3.驱动轴，4.从动轴，5.旋转芯i，6.旋转芯ii， 7.光阑盘，701.光阑孔。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
38.实施例1
39.当前实验室中，电子显微镜上安装的一种可调光阑如图1所示，使用过程中实验人员通过调节手柄1方便的选择设置聚光镜可动光阑装置光阑片2上的光阑孔，从而可获得不同的照明孔径角，实现针对不同样品的要求提供不同的照明孔径角，从而得到在不同尺寸光阑下成像的目标物体图像信息，可以有效提高电子显微镜的性能。但是这种手动更换光阑的方法大大提高了实验时间，降低了工作效率，也增加了一些不必要的步骤，给实验带来诸多不便。
40.对于传统的扫描透射电子显微术，探测器丢弃了大部分信息，只使用部分信息进行成像。近年来基于扫描透射电子显微术发展起来的4d
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stem技术，即电子枪发射出的电子在电磁透镜及光阑的作用下会聚成原子尺度束斑直径的电子束，电子束聚焦在样品表面并通过控制电磁透镜来控制电子束斑在试样上逐点扫描目标区域，使用新型电子检测器可在每个扫描位置记录完整的电子衍射图案，通过计算机将每个位置所得的衍射图案按扫描位置排列起来，即得4d
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stem的衍射图集。每个位置的衍射图像的质量与光阑孔径大小息息相关，在扫描电子显微镜中，电子探针可以表示为：
41.p
k
(r)＝fft{a(q)e
ix(q)
}
42.其中，a(q)代表光阑，q代表光阑处的空间坐标，fft为傅里叶变换，χ(q)为不同探针函数对应的像差函数。
43.为了得到在不同光阑大小下所得衍射图像交替排列的衍射图集，我们在成像控制系统中增加了如图2所示的光阑转换装置。所述的光阑转换装置，包括：成像单元，用于完成成像工作并将成像完成信号传输给控制单元；电磁透镜，用于控制电子束斑在样品上的位置；控制单元，用于接收成像完成信号后发出指令信号，以驱动电机运行，并且在接收到位置反馈信号后控制成像单元继续成像；驱动单元，在指令信号的控制下，发出驱动信号至电机；电机，电机可以为伺服电机，在驱动信号的驱动下实现电机运行，并机械传动使光阑旋转；可调光阑，用于衍射成像，并将位置反馈信号输出至控制单元。本发明是在电子显微镜中应用信号控制原理，在成像完成后，将成像完成信号传输给控制单元，控制单元接收该信号后，经处理产生转换指令并传输给驱动单元，驱动单元接收指令后产生驱动信号至电机，然后通过电机的机械传动带动光阑进行转换。在光阑转换完成后，将光阑此刻的位置信号反馈给控制单元，控制单元将该位点成像完成信号反馈给电磁透镜，从而电磁透镜控制电子束斑进入下一扫描位置继续成像。如此往复自动获得不同孔径的光阑下目标物体的衍射图像集，该图像集包含所述目标物体更完整的频段特征信息，使得后期重构时得到更清晰完整的目标物体图像。
44.同时，常规的光阑转换为气缸式，转换速度慢，而在4d
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stem模式下，单个衍射图像的成像时间为微秒级，手动调节来实现光阑转换完全无法满足此场景下的工作模式，故我们对光阑结构进行了改进。如图3所示，为本发明的一种可快速转换的光阑装置的俯视图，为两个镜面对称的类圆柱体，旋转芯之间彼此镜像对应，圆柱体外表面的部分区域向内凹陷形成截面为半圆形的凹槽，所述凹槽截面的直径连续减小，这个区域在可以是完整的一个面都向内凹陷，也可以是部分中间区域，或者其他位置的区域，只要保证两个外表面凹陷的区域相对保持一致，从侧面看，由两圆柱体中间凹陷区域组成的圆形区域为透光区域，两个旋转芯相对而转时候，实现了光阑孔径的连续变化，通过旋转芯的旋转，来调节光阑孔径的大小，从而控制衍射图像，获得衍射图像交替排列的衍射图集。
45.具体旋转的方式是，旋转芯i和旋转芯ii中间分别连接有驱动轴3和从动轴4，电机与驱动轴3相连，通过传动部件连接从动轴4。当电机得到转动指令时，通过同步带传动带动驱动轴3转动，同时带动从动轴4做同步转动，旋转芯i和旋转芯ii相对转动，根据需求可以正时针旋转，也可以逆时针旋转。当然也可以设置有两个电机分别进行两个轴的驱动，只要能够控制旋转即可。在使用驱动轴3和从动轴4的时候作为传动部件的可以是设置成外表面齿轮结构的旋转芯i和旋转芯ii，如图4所示为该光阑的俯视图，旋转芯i和旋转芯ii间存在齿轮结构，两个旋转芯之间通过齿轮结构彼此啮合。其他实施方式也可以为，旋转芯i 和旋转芯ii的顶部或底部分别设置有齿轮片，齿轮片并对应的旋转芯固定，两个旋转芯的齿轮片彼此啮合。在一个进行运动的时候，另一个也带动旋转。在运动过程中电机带动旋转芯做旋转，通过两个类圆柱体间的齿轮带动另外一边做反方向的旋转。随着两旋转芯的相向转动角度的变化，中间的圆形透光区域也会不断变化，从而实现光阑孔径的变化。更有利的是，齿轮的还可抵挡住两个旋转芯间狭缝位置的电子，使得电子探针不发散，可以保证更好的处理效果。实验过程中，电子束在第一扫描位置衍射图像生成后，将成像完成信号传递给
控制单元，控制单元传递给驱动单元信号，从而驱动单元给电机供能，随之光阑的驱动轴在电机的带动下旋转对应角度，旋转到对应位置后将完成信号传递给控制单元，电子束进入下一扫描位置进行成像，以此循环，最终得到将是在不同光阑条件下所得的衍射图交替排列的衍射图集。具体的结构上的设计，只要能满足上述功能的具体结构客体和机械部件的设计都可。
46.实施例2
47.进一步的我们对光阑结构进行优化，如本发明中的实施例中介绍的光阑结构，采用随角度变化而变化光阑孔径结构，相比于常规的抽插式光阑，在自动化转换过程中会提高不少效率。如图5所示，本发明的另一种可快速转动的光阑。该光阑整体呈圆盘状，光阑盘中心位置有一根圆柱形杆子与电机连接，成像时在电机带动下光阑盘转动至某一光阑孔位置。在光阑盘上分布着不同大小且形状不一的光阑孔，这些光阑孔的中心都位于与光阑盘的同心圆上，可以在此光阑盘上制造各种尺寸和形状不一的光阑孔。例如，光阑孔的透光区域为圆形孔，但其尺寸不同；光阑孔的透光区域为外径相同，内径不同的环形区域；光阑孔的透光区域为外径不同，内径相同的环形区域；光阑孔透光区域为多个环形组成的同心圆环，中心为圆形的挡板；光阑孔的透光区域为圆周阵列的圆形孔。当然以上只是列举了一些比较特殊的光阑孔形状，还可以在光阑盘上打造实验所需要的任意形状的光阑孔，如正方形光阑孔708。与圆柱形光阑结构相似，此光阑盘中心的旋转轴与电机相连，当光阑盘旋转到某一角度则对应着特定的光阑孔，电子束通过所选光阑孔的中心进行成像。
48.实施例3
49.进一步的我们对光阑结构进行优化。如图6所示，左侧为可调光阑7，为一种片状结构，具体的形状可以根据需求进行设置，如长条状，或者其他形状，只要能保证可调光阑上沿运动方向依次设置有若干不同结构的光阑孔701即可，孔的形状如实施例2一样不做限制，满足需求是形状都可以，可调光阑通过驱动装置沿运动方向移动，驱动可调光阑移动，进行光阑孔的切换；驱动装置包括电机和驱动结构，可以保证的一个实施例如下，可调光阑7通过连杆8与丝杆9平行设置，连杆8与丝杆9垂直设置，电机驱动丝杆9从而驱动可调光阑7 移动，沿着丝杆9方向上移动，进行光阑孔的切换。图6中设置了阵列了四个孔径大小不同的光阑孔，并通过丝杆9进行驱动，丝杆9可以为滚珠丝杆或者其他类似的结构，只要能满足驱动可调光阑都可，由于具体的光阑转换系统的光源是固定不变的，通过驱动光阑的移动来改变光阑孔，从而改变整个系统的自动化调整，具体的驱动装置的结构也可以为其他的形式，主要能满足光阑在一个线性或非线性方向上移动都可以，此种装置会更加简单，成本低廉，可以快速准确的进行调整，减少工作时候的误差和提高效率。
50.以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。