专利名称：用于透射电子显微镜的检测器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子显微镜检查，更具体来说涉及与电子显微镜检查一起使用的检测器系统。
背景技术：
透射电子显微镜(TEM)将电子束透射过纤薄样品并且检测由于电子与样品之间的相互作用而导致的电子束中的改变。电子通常被加速到80到300keV之间的能量。所述加速优选地是通过将电子源保持在高电压下并且将电子朝向处于地电势的样品加速而实现的。偏转器、透镜以及像差校正器可以操纵该束以照射样品。所述样品足够纤薄，以便对于电子来说是部分透明的。由于对电子的透明度取决于元素的原子序数，因此典型的样品厚度将随着样品的性质而变化。例如，由金属或半导体(其包括许多具有高原子序数的原子)构成的样品可以是大约30nm厚。生物材料的样品通常更厚，例如大约200nm厚。在某些应用中可以使用甚至更厚的样品，例如1 μ m的样品。一些电子不受阻碍地穿过样品；一些电子被衍射；一些电子损失能量；而一些电子被吸收。不同的技术利用所透射的电子的不同特性来确定关于样品不的同信息。TEM可以产生示出处于纳米或者甚至亚纳米范围内的结构特征的图像，并且还可以提供关于样品成分的信息。在电子穿过样品之后，其被摄影胶片或者被电子检测器检测到，所述电子检测器产生代表撞击在检测器上的电子的数目和/或能量的电子信号。大多数TEM电子检测器间接地检测电子电子撞击在磷光体上，所述磷光体发出由检测器检测到的光。间接检测防止由于高能电子的撞击而对半导体检测器造成损坏。所述光撞击在半导体检测器上，并且产生电子一空穴对。在许多间接半导体检测器中，电子在形成电荷耦合器件(CCD)的一部分的电容器阵列中积聚。在每一个电容器上积聚的电荷与撞击在相应像素上的电子数目有关。 为了读取每一个像素上的电荷以便获得完整的图像，像提桶排成一个队列以传水救火那样把在每一个像素处积聚的电荷移动到下一个像素，并且最终移出检测器，在那里它被数字化并且存储在计算机存储器中。将电子转换成光的额外步骤降低了检测器分辨率，这是因为来自磷光体的光在它到达CCD检测器之前扩散。CCD检测器的另一个缺陷在于读出所述像素阵列所需的时间、以及所提供的有限视场。一些半导体检测器利用有源或无源像素传感器而不是CCD来直接检测电子。例如，利用互补金属氧化物硅(CMOS)技术实现的单片有源像素传感器(MAPS)提供具有快速读出的高分辨率检测器。在有源像素传感器中，每一个像素可以合并进行粒子检测所需的许多功能，即电荷生成及收集、前置放大、脉冲整形、模拟一数字转换、噪声区分以及信号积分。例如由 R. Turchetta 等人在"Accelerated particle and high energy radiation sensor (加速粒子及高能辐射传感器)”的美国专利公开号2006Λ78943中描述了有源像素传感器，其被合并在此以作参考。在A.R. Faruqi等人的“Evaluation of a Hybrid Pixel Detector for Electron Microscopy (用于电子显微镜检查的混合型像素检测器的评估)” (Ultramicroscopy,vol. 94, 2002, pp.洸3_276)中描述了另一种类型的有源像素传感器。在Faruqi等人的混合型有源像素检测器中，将灵敏的读出电路放置在由电子撞击的部分下方，因此保护其不受电子撞击。在另一种类型的直接电子检测器——双面条检测器(DSSD)中，读出系统不与电子束成一直线，因此不会恶化。DSSD使用检测器顶部和底部的收集条，并且可以在每一个电子事件发生时提供与之有关的信息，从而允许处理器例如确定何时两个电子大约同时击中。TEM中的样品被保持在真空中，这是因为样品室内的空气或其他气体分子将会散射该束中的电子。在高度真空环境中，包含大量水的生物样品将会快速恶化。用于保存生物样品以供在TEM中进行观测的一些技术包括染色法或其他固定技术，其可能会在观测中引入伪像。伪像是作为成像过程的结果的、并非自然出现在样品中的观测特征。可以更好地保持生物样品完整性的一种优选的保存技术是在产生非晶质冰的玻璃化过程中快速冻结， 并且在低温下进行观测。低温透射电子显微镜(Cryo-TEM)需要在低温下在透射电子显微镜上观测样品，所谓低温通常是液态氮或液态氦的温度。Cryo-TEM允许在其天然状态下观看试样，而不会在固定过程期间将伪像引入到观测中。然而来自cryo-TEM的图像由于在观测期间发生的多种过程而恶化。例如，该束中的高能电子的撞击会加热纤薄样品，这在短的观测时间段之后可能在样品中导致气泡。 cryo-TEM的另一个问题在于，样品在成像开始时积聚静电荷，这在图像的角落中产生显著的图像拖尾。所述电荷在较短时间段之后耗散。为了避免所述充电伪像，用户有时将对样品进行预先照明，以便在形成图像之前消除充电。用户还使用点扫描成像来克服充电和束引发的移动。全部这两种方法都存在缩短电子束产生有用信息的时间的不合期望的效果， 这是因为所述预先照明开始加热样品，但是不产生有用的图像数据。
发明内容
本发明的一个目的是改进TEM成像的质量。一个优选实施例包括一种电子检测器，其中在图像采集时间段期间的不同时间点读出来自所述检测器内的全部或者少于全部像素的图像数据。对来自不同时间点的数据进行分析，以便确定哪些数据包括在最终图像中。在一个优选实施例中，实时地读出并分析数据，也就是说，在电子束正撞击在样品上并且生成图像数据的同时读出并分析数据。随后可以基于所述分析的结果在图像采集时间段期间修改数据采集过程。最终的图像数据可以包括全部或者少于全部的所收集数据。在其他实施例中，在不同时间点读出的数据被分开存储，并且后来被分析和组合以形成最终图像。在一个实施例中，通过分析在图像采集时间段期间的不同时间处获得的数据以便识别并消除对应于伪像的图像数据，可以减少或消除使利用低温或其他低电子剂量TEM采集的图像恶化的伪像。例如，在图像采集时间段开始时从少于全部像素获得的数据被用来确定充电何时结束，并且只有不受充电影响的图像数据才被收集。在另一个实施例中，对图像数据进行分析以便确定样品是否正在起泡、以及图像形成时间段在开始起泡时是否已结束ο
前面相当宽泛地概述了本发明实施例的特征和技术优点，从而可以更好地理解下面对本发明的详细描述。下文中将描述本发明的其他特征和优点。本领域技术人员应当认识到，所公开的概念和具体实施例可以很容易被用作修改或设计用于实现与本发明相同的目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，这样的等效构造不背离如在所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。
为了更加透彻地理解本发明及其优点，现在将参照结合附图做出的以下描述，其中
图1是示出了本发明的优选实施例的流程图。图2是使用本发明的实施例的透射电子显微镜的示意图。图3是根据本发明的实施例的摄影机控制单元的示意图。图4是根据本发明的实施例的摄影机支持单元的示意图。图5是本发明的实施例的流程图，其被用来检测并消除由于cryo-TEM样品中的充电而导致的图像伪像。图6是本发明的实施例的流程图，其被用来检测并消除由于cryo-TEM样品中的起泡而导致的图像伪像。
具体实施例方式在来自电子显微镜的图像中出现的成像伪像可能会使得图像不那么有用。许多伪像随着时间改变，并且可以通过把在图像采集时间段期间的不同时间处取得的图像数据进行比较来识别并消除所述伪像。有些伪像还可以通过把代表单个帧的不同区域的数据进行比较来进行识别。这里所使用的“帧”意指在单个读出时间段内读出的一组像素数据，也就是说基本上同时读出的一组像素数据。所述帧可以包括来自全部像素或者来自少于全部像素的数据。在本发明的优选实施例中，在采集图像的同时，在多个时间处从检测器读取图像数据。也就是说，可以利用来自多个帧的数据形成单个图像。可以把来自不同时间或者来自同一时间的不同图像部分的图像数据进行比较，以便确定伪像的存在，并且可以通过操纵或消除所收集数据的各部分而从最终图像中消除这种伪像。例如，试样充电在低温显微镜检查中是一个问题，并且在成像过程开始时发生。可以在图像采集期间从各像素读出数据，并且可以识别并消除示出充电伪像的图像数据。低温显微镜检查中的另一个问题是起泡，其通常在图像采集接近结束时发生。本发明的各实施例允许用户将这些效应从在更好的试样成像条件下采集的数据中清理出来，因此大大提高图像的数据质量和科学可用性。本发明的优选实施例使用CMOS检测器，其提供快于CCD检测器的读出并且允许读出所选像素。所述快速读出能力、选择性读出指定像素的能力以及优选实施例中的芯片上图像处理允许在收集图像数据的同时对数据进行分析并做出判定，并且可以实时地调节成像过程以产生更好的图像。基于对图像采集时间段读出的数据的分析，可以继续、变更或停止图像采集过程。 例如，变更采集过程可以包括丢弃所收集的一部分或全部图像数据、把所述分析之前或之后所收集的图像存储在不同的存储器位置处或者停止数据收集。例如，如果数据指示正在收集的图像数据是良好数据，则可以在不做改变的情况下继续数据收集。如果所述数据分析指示正在收集的数据包括不合期望的伪像，则可以从最终图像数据中去除所述数据。所述数据分析和对于采集过程的变更在图象收集的不同阶段可以是不同的。例如，所述数据分析可以是寻找图像采集时间段早期的充电伪像，以便丢弃包括充电伪像的图像数据，并且可以在充电伪像消失之后开始积聚良好的数据。在图像采集时间段后期，所述分析可以是寻找起泡，并且当起泡开始时所述系统可以停止数据收集。本发明从撞击试样的电子获得最大良好图像数据。图1示出了本发明的优选实施例的流程图。在步骤100中，将电子束导向样品。 穿过样品的电子撞击样品下方的检测器像素阵列，并且被转换成电荷，所述电荷被储存在受到撞击的像素处。在步骤102中，从一个或更多像素中“读出”所储存的电荷并且对其进行数字化。所谓的“读出”是指将对应于电荷的电子信号提供到像素外部的电路。当像素被读出时，可以或者可以不重置像素上的电荷。可以从阵列中的全部像素读取电子信号，或者可以从阵列中的少于全部像素读取电子信号。所述读出操作优选地包括将像素重置到基线，从而重新开始积聚电荷。备选地，后续的读出可以减去先前的读出数值，以便确定自从上一次读出操作以来所积聚的电荷。在步骤104中，优选地以数字形式将所读取的图像数据存储在存储器中。在步骤106中，从在步骤102中被读取的相同像素中再次读出信息。在步骤108 中将所述信息存储在存储器中。例如，在一个包括4k乘4k的像素阵列的实施例中，以40Hz 的频率也就是说每25ms读出数据。步骤106迟于步骤102发生，因此所述信息代表在步骤 102之后撞击检测器像素的电子。在步骤110中，由处理器对于在不同时间读出并被存储在存储器中的所述两个像素数据集合进行分析，以便确定所收集的图像数据的属性。例如，所述分析可以确定所述图像是否包括成像伪像。在一些实施例中，所述分析可以对同一帧的不同像素进行比较，而不是对来自代表来自不同时间的数据的不同帧的像素进行比较。基于所述分析的结果，所述系统在判定块114中确定刚刚获取的数据是否没有图像伪像以及是否应当被添加到形成最终图像的积聚数据。如果是的话，则在步骤116中将所述数据添加到积聚“良好”图像数据的存储器位置。如果判定块114指示所述数据不是良好图像数据，也就是说所述数据包括不合期望的伪像，则不把该数据添加到所积聚的“良好”图像数据。不管是否被添加到所积聚的良好数据，都还可以保持分开存储所收集的数据，以供与后续数据进行比较或者用于其他数据操纵和组合。在判定块120中，所述系统根据步骤110中的分析来确定图像采集过程是否完成。 如果是的话，则在步骤122中停止电子束撞击样品，并且在步骤IM中将所积聚的数据存储为最终图像数据。如果步骤120的结果指示图像采集过程尚未完成，则所述过程继续利用步骤106收集数据。在一些实施例中，可以通过存储图像数据的帧以供后来处理而以离线方式执行所述处理。这在像素数目大到无法实时执行所需的计算次数时可能是合乎期望的。由于对于每一帧所需的存储器数量，优选地对数据进行实时采样并且随后当所述采样指示在图像采集过程中发生改变时存储附加的帧。这样的离线处理实施例需要增大存储器以保存更多图像，特别对于充电与良好数据之间以及良好数据与起泡之间的过渡状况尤其是这样。
图2示出了透射电子显微镜(TEMM02的优选实施例，其采用了根据本发明的优选实施例的检测器系统204。TEM 202包括上方电子镜筒210，其可以包括未示出的附加组件， 比如聚光器透镜、像差校正器以及偏转器。上方电子镜筒210形成电子束，所述电子束透射穿过样品212并且随后由聚焦透镜214聚焦到由多个单独像素218构成的像素阵列216 上。在一个实施例中，所述阵列包括4096乘4096个像素。所述像素阵列优选地是如前面由Turchetta等人所描述的CMOS单片有源像素传感器。撞击在像素218上的电子产生多个电荷，所述电荷积聚并且由摄影机控制单元(“CCU”)220周期性地作为电子信号读出并数字化，其随后将数据传送到摄影机支持单元(“CSU”)222以供附加处理。图3示出了 CCU 220的方框图，而图4则示出了 CSU 222的方框图。(XU 220包括行读出控制器302，其控制每一个像素处的开关以用于读出数据。列控制器306读取来自由行控制器302激活的行内的像素的数据。来自该行内的像素的电子信号被模拟一数字转换器308转换成数字信号。在一个实施例中，从每一个像素读出的模拟数据被CCU 220转换成14比特的数字数据。比如现场可编程门阵列(FPGA)之类的处理器310根据来自CSU 220的预先编程的逻辑和指令来控制CCU 220的操作。可以利用对于特定操作所需的逻辑来对FPGA进行编程，并且可以在必要时重新编程FPGA以执行不同的功能。随后通过通信接口 314在高速数据链路312上将每一个单独的图像数据帧(即代表在某一特定时间处积聚在一组像素中的电荷的数据)传送到CSU。可以在大约25ms内读出4k乘4k的像素的阵列，即在大约40Hz的频率下读出。高速数据链路312例如可以包括10(ibit/S的光学链路， 其允许在40Hz的速率下传输对应于4k乘4k个像素的数据，其中每个像素具有14比特的动态范围。只要数据传送速率足以在所期望的帧速率下容纳所有像素数据，就可以没有任何数据损失地传送数据。与C⑶像素不同，CMOS像素提供读出在少于全部像素上积聚的电荷的能力，这与读出全部像素相比可以花费少得多的时间。可以在大约1.5ms内读出较小的面积，比如512像素x512像素的面积。图4示出，CSU 222包括被编程为处理来自CXU 220的像素信息的处理器402以及用于存储像素数据的数据存储器404。处理器402可以包括FPGA。数据存储器404可以被划分成多个存储器区域，其被称作“缓冲器”。图4示出了 4个缓冲器406A、406B、406C和 406D，但是不同的实施例可以包括更多或更少的缓冲器。每一个所述缓冲器可以包括多个存储器位置，其中包括对应于检测器中的每一个像素的存储器位置。所述存储器位置可以被用来包含在某一时间点从每一个像素读出的数值。所述存储器位置还可以被用来包含从多次读出积聚的数据，或者对应于每一个像素的计算结果，比如一像素的运行平均值或者围绕一像素的各像素的平均数值。例如可以通过求平均、乘法或除法来组合不同缓冲器的内容。所述FPGA可以被编程为在不同时间处对于全部像素或者对于来自指定像素子集的像素获得来自CCU的数据，将所述信息存储在缓冲器中，以及对所述信息进行比较。取决于所述比较的结果，CSU可以被编程为丢弃缓冲器之一中的数据，或者将所述数据与第三缓冲器中的良好图像数据相组合。对于数据的其他操纵可以包括暗帧校正、增益线性化以及把多个图像添加到总和的最终摄影机图像中。在暗帧校正中，一个缓冲器存储在没有把电子束导向样品的同时从像素读出的数据。该“噪声”被称作“暗帧”噪声，并且可以从每一帧中减去或者从最终图像数据中减去该噪声。增益线性化意味着对信号进行调节，从而使得来自撞击一像素的两个电子的信号是来自一个电子的信号的两倍。CSU 222由TEM计算机230 (图2)控制，其还控制TEM 202。通过通信接口 410在通信链路412上将数据从CSU传送到TEM计算机230，所述通信链路比如是操作在l(ibit/ s或10(ibit/S的速率下的以太网连接。用户接口 232可以向用户显示图像，并且可以从用户接受关于TEM 202和检测器系统204的操作的指令。本发明的一个实施例消除充电伪像。撞击试样的最初电子生成移动电子一空穴对。处于液态氮或液态氦的温度下的所述试样通常足够导电，从而使得所述移动电荷载流子彼此排斥并且后退到检测器阵列的角落。样品被放置在其上的栅格是绝缘体，因此电荷在样品的角落上积聚。图像通常示出在检测器的角落中由于所积聚的静电荷而导致的显著图像拖尾。在很短的时间段(通常是大约30ms)之后，由于电子束的撞击而生成的二次电子中和所述电荷，并且所述伪像消失。一个实施例使用三个缓冲器将每一次采集的第一部分与第二主要部分和第三最终部分分开。第一部分包括充电伪像，而最后一个部分包括起泡伪像。所述主要部分包括用于形成图像的最佳数据。图5示出了本发明的实施例的流程图，其检测初始试样充电并且形成避免充电伪像的图像。在步骤502中，由CCU读取所述图像的一个角落中的像素(例如来自所述角落中的512像素乘512像素的阵列)并且将其传送到CSU。在一些实施例中，可以读取多个角落。 在步骤504中，CSU把所述图像数据存储在第一数据缓冲器中。在步骤506中，C⑶在比步骤502中读出第一角落像素集合的时间要晚的某一时间从相同的角落像素读出第二像素数据集合。由于只读取一个角落中的像素，因此可以从所述像素快速获取数据。可以在大约1. 5ms内读出一个大约512像素乘512像素的角落区域。在步骤508中，CSU将所述数据存储在第二数据缓冲器中。在步骤510中，对所述两个数据缓冲器中的数据进行比较，以便确定图像是否已经稳定下来。在步骤510中可以使用多种技术来确定图像何时已稳定下来。例如，可以在顺序的图像上执行二维互相关。随着图像稳定下来，顺序帧将不断提高相关度。备选地，可以对χ方向和y方向上的图像内容进行投影，并且可以执行两个一维相关。例如由Cain等人
"Projection-Based Image Registration in the Presence of Fixed-Pattern Noise (存在固定模式噪声的情况下的基于投影的图像配准)” (IEEE Transactions on Image Processing，Vol. 10，No. 12，p. 1860 (2001))描述了这样的相关。Cain 等人声称，如果图像遭受固定模式噪声(如果CCU提供对于偏置和增益非线性并不是未经校正的的图像数据，则正是这种情况)，则一维相关更加优越。备选地，可以使用简单的减法来确定指示样品正在充电的偏移。作为另一种备选方案，角落图像的诸如均值和方差之类的统计量的改变可以被用来检测充电结束。在判定块512中，所述系统基于步骤510中的分析来确定图像是否已经稳定下来， 即充电是否完成。如果图像还没有稳定下来，则所述过程重复步骤506。每当在步骤506中从所述角落像素读取新的数据集合时，新的数据就在缓冲器之一内覆写最早的数据，并且对最近的像素数据以及第二最近的像素数据执行相关。备选地，可以把新近的数据与来自多于一次先前读出的或者来自所计算的数值(比如较早前的读出的平均值或总和)的积聚数据进行比较。
当所述相关在判定块512中确定充电完成时，CSU在步骤514中开始在“良好图像数据缓冲器”内积聚数据。现在正在积聚的数据对应于准确的图像数据，基本上没有充电伪像。在图像采集时间段期间，把每一个后续像素数据集合(其优选地是以每25ms从4k 乘4k像素阵列读出的)添加到所述良好图像数据缓冲器中的先前数据上。当图像采集完成时，所积聚的数据变为最终图像。当已经有足够数目的电子穿过样品，或者当对于从像素读出的图像数据的分析指示正被读出的数据开始包括伪像，成像可以在预定时间段之后完成。在一些实施例中，正如下面参照图6所描述的那样，继续针对诸如起泡之类的其他伪像监测图像数据，并且当起泡开始时停止图像采集。在备选实施例中，为了避免充电伪像，可以在比如30ms的特定时间段之后假设充电完成，并且将来自前30ms的数据存储在第一缓冲器中，并且把后续数据存储在第二缓冲器中。虽然这一实施例更加简单，但是其可能导致损失一些良好图像数据或者包括一些包括充电伪像的图像数据。图6是本发明的实施例的流程图，其被用来检测起泡的开始。开始起泡的快速性将在某种程度上取决于样品和电子束电流。起泡通常在样品上导致局部效应，并且所述效应被分布到整个图像上。在某些不同的、不可预测的地方，图像通常将在起泡开始时示出尖锐的亮度尖峰。这些亮度尖峰可以由许多分析算法检测到。处理器应用专门检测起泡的效应的局部过滤器。与确定充电是否完成一样，存在许多可能的方式来确定、收集并分析数据以便确定起泡是否已开始，并且本发明不限于任何特定的检测算法。图6描述了一种确定起泡是否已开始的方法。在步骤602中，从全部像素或代表性像素读出数据，并且将其存储在缓冲器中。在步骤604中，所述系统计算围绕每一个像素的局部像素组的均值和方差，并且将所计算的数值存储在缓冲器中。例如，步骤604可能需要计算以每一个像素为中心的7像素乘7像素块的均值和方差。在一些实施例中，仅仅对于图像中的代表性像素而非全部像素执行计算。在步骤606中，从所述像素阵列读取第二数据集合并且将其存储在不同的缓冲器中。在步骤608中，所述系统利用在步骤604中所用过的相同规程来计算围绕第二数据集合当中的每一个像素的局部均值和方差。在步骤610中，所述系统把来自两个不同帧的所计算的均值和方差进行比较，以便确定所述均值和方差的改变是否指示显著的局部改变， 这将指示起泡的开始。对于4096x4096像素阵列中的每一个7x7帧进行比较是一项很大的计算任务。 例如在以下文献中描述了用于处理大量TEM图像数据的算法Zhu，Y等人的“Automatic particle selection: results of comparative study (自动粒子选择比较石if 究结果)” (Journal of Structural BioIory 145 (2004) 3 - 14)；Roseman, A.M.的 2003 年白勺 “Particle finding in electron micrographs using a fast local correlation algorithm (利用一种快速局部相关算法在电子显微照片中寻找粒子)” (Ultramicroscopy 94，225 — 236 (2003));以及 Roseman, A.M.的“FindEM-a fast, efficient program for
automatic selection of particles from electron micrographs (FindEM-一禾中用于
从电子显微照片中自动选择粒子的快速且高效的程序)”(Journal of Structural BioIory (2004))。由Roseman所描述的算法使用三次傅立叶变换，前提是所述7x7像素掩模是圆形的。
确定起泡是否已经开始的其他方法是利用视频处理中已知的纹理分析方法，例如 ￠: C. H. Chen ^AW uThe Handbook of Pattern Recognition and Computer Vision, (2nd Edition)(《模式识别和计算机视觉手册》，第二版)” (World Scientific Publishing Co.，1998)中所描述的那样。具体来说，可以使用Gabor滤波。如果在处理之前对数据进行重新面元划分(re-bin)则可以加速上述处理，即把比如9个像素的正方形之类的多个像素组合并且将其作为单个较低分辨率的像素来对待。例如，CXU可以把4像素乘4像素的组当作单个像素来对待，从而所述阵列实际上包括Ik χ Ik而不是4k乘4k，这是所需计算数目的附带的减少。另一种分析数据以便确定起泡的方法是执行当前帧与一个或更多个先前帧之间的局部互相关并且查看相关系数的改变，所述局部互相关在Roseman的文章中也做了描述。判定块612示出，如果步骤610中的比较确定起泡尚未开始，则在步骤614中把最近采集的数据添加到所述良好图像数据缓冲器中的积聚图像数据中。还保留所述最近采集的数据以便与下一项数据进行比较。所述过程随后重复步骤606，即读出新的数据集合、计算均值和方差、以及把对于每一个数据集合所计算的数值与对于先前数据集合所计算的数值进行比较。优选地在大约40Hz的速率下采集新的图像数据。如果判定块612示出起泡已经开始，则在步骤616中丢弃最近采集的数据，并且被存储在所述良好图像数据缓冲器中的图像数据在步骤618中变为最终的图像数据。可以通过本发明检测及校正的另一种伪像是漂移。随着时间，图像可能倾向于在检测器上偏移。漂移可能例如由于偏移束位置的电子束镜筒中的温度的较小改变、由于系统中的振动、或者由于列电压和电流的不稳定而发生。在本发明的一个实施例中，可以在 40Hz下读出各帧并且将其与先前帧相关以确定漂移。这将去除频率低于20Hz的任何漂移或抖动效应。如果在样品中有显著特征以在各帧之间进行相关，并且当在每一帧中撞击样品的电子数目相对较多时，所述帧相关工作最好。帧相关已被用于扫描电子显微镜中的图像。例如在前面提到的Roseman论文中描述了帧相关算法。帧相关技术可以在高于像素间距的分辨率下补偿漂移。本发明提供了可以被用于在低剂量成像中特别有用的全新采集方案的独特能力。 与检测器的子集中的“良好质量”图像相比，充电和起泡会非常快地示出密度差异。通过应用快速图像处理技术来检测这些小的差异，可以检测试样充电和束引发的损害，以便开始及停止图像采集以避免伪像。本发明的实施例允许基于正在采集的数据而实时地适配图像采集过程。在基于对图像数据的实时分析而可能发生的修改当中的是对采集时间、感兴趣的区域以及面元划分模式的改变。所述分析只受可用的处理能力和存储器限制。虽然前面的实施例描述了对积聚周期性读出的电荷的有源像素传感器的使用，但是在其他实施例中，电子的撞击产生电信号，所述电信号被立即从像素传送而不等待预定帧持续时间。虽然本发明被描述为被植入在传统的透射电子显微镜中，但是本发明也可以被实现在扫描透射显微镜中。虽然详细描述了本发明及其优点，但是应当理解的是，在不背离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这里所描述的实施例做出各种改变、替换和更改。此外，本申请的范围不意图限于说明书中所描述的过程、机器、制造品、物质成分、措施、方法和步骤的具体实施例。如本领域普通技术人员通过本发明的公开内容将很容易认识到的，根据本发明可以利用与这里所描述的相应实施例执行基本上相同的功能或者实现基本上相同的结果的现有或后来将要开发的过程、机器、制造品、物质成分、措施、方法或者步骤。因此，所附权利要求书意图将这样的过程、机器、制造品、物质成分、措施、方法或者步骤包括在其范围内。
权利要求
1.一种用于透射电子显微镜(202)的检测器系统(204)，包括像素(218)的阵列(216)，用于在成像时间段期间将撞击电子转换成电子信号； 第一计算机存储器，包括多个数据存储区(404)以用于存储在图像采集时间段内的不同时间处由所述阵列中的一个或更多像素捕获的数据；以及处理器(402)，被编程来分析在图像采集时间段期间的不同时间处来自所述阵列中的一个或更多像素的数据，并且在采集图像的同时基于所述分析结果来修改图像采集过程。
2.权利要求1的检测器系统(204)，其中，所述处理器(402)被编程来对于在不同时间处从所述阵列(216)中的少于全部像素(218)读取的数据进行比较，以便确定图像是否示出样品充电的效应。
3.权利要求1的检测器系统(204)，其中，所述处理器(402)被编程来对于在不同时间处从所述阵列(216)中的像素(218)读取的数据进行比较，以便确定图像是否示出样品起泡的效应。
4.权利要求1的检测器系统(204)，其中，所述处理器(402)把在图像捕获时间段的第一部分期间捕获的数据与在图像捕获时间段的后面一部分期间捕获的数据进行比较，以便定位将指示起泡存在的局部亮度增大。
5.权利要求1的检测器系统(204)，其中，所述像素(218)包括CMOS有源像素传感器。
6.一种利用透射电子显微镜(202)形成图像的方法，包括 将电子束导向样品(212);提供包括多个像素(218)的检测器(204)以便检测穿过样品的电子； 在图像采集时间段期间从所述多个像素中的一个或更多像素获得数据； 对于在图像采集时间段期间从所述一个或更多像素获得的数据进行分析；以及基于所述分析的结果来修改图像采集过程。
7.权利要求6的方法，其中，在图像采集时间段期间从一个或更多像素(218)获得数据包括在图像采集时间段期间的多个时间处从所述一个或更多像素获得数据，以及把在不同时间处从所述一个或更多像素导出的数值进行比较。
8.权利要求7的方法，其中，在多个时间处从所述一个或更多像素(218)获得数据包括至少每IOOms读出全部像素的数值。
9.权利要求7的方法，其中，在多个时间处从所述一个或更多像素(218)获得数据包括读出图像的一个角落中的像素的数值，以便确定所述图像是否受到样品充电的影响。
10.权利要求7的方法，其中，在多个时间处从所述一个或更多像素(218)获得数据包括读出全部像素的数值，以便确定图像是否受到起泡的影响。
11.权利要求7的方法，其中，把在不同时间处从所述一个或像素导出的数值进行比较包括把围绕单独像素的局部区域的统计量进行比较。
12.权利要求7的方法，其中，基于所述分析结果来修改图像采集过程包括丢弃包括成像伪像的数据。
13.权利要求7的方法，其中，基于所述分析结果来修改图像采集过程包括修改图像数据以便校正漂移。
14.一种透射电子显微镜(202)，包括 电子源；用于把电子导向样品(212)的电子光学镜筒；以及根据权利要求1的电子检测器(204)。
全文摘要
本发明涉及用于透射电子显微镜的检测器系统。在一种透射电子显微镜检测器系统中，在图像采集时间段期间从像素读出图像数据并且对其进行分析。根据所述分析的结果，修改图像采集过程。例如，所述分析可以指示在数据中包含比如充电或起泡之类的图像伪像，并且可以从最终图像中去除包含伪像的数据。CMOS检测器提供在高数据速率下选择性地读出像素，从而允许实时地自适应成像。
文档编号H04N5/335GK102376517SQ201110251918
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者J. P. 舒尔曼斯 F., 肖恩马克斯 R., 吕肯 U. 申请人:Fei 公司