[发明专利]用于高速光谱采集的方法

说明书

公开了一种用于在透射电子显微镜中获取电子能量损失谱(EELS)光谱的系统和方法。本发明的系统和方法通过将图像传感器的第一部分暴露于第一光谱同时在部分或全部暴露时间中将传感器的先前暴露部分从传感器中读出来最大化光谱采集速率和占空比。

相关申请

根据35U.S.C，本申请基于2017年8月4日提交的美国临时专利申请号62/541,345要求优先权，其公开内容通过引用合并于此。

背景技术

透射电子显微镜(TEM)中的电子能量损失谱(EELS)光谱采集利用穿过薄样品的电子光谱使传感器暴露。

通常，在被配置用于EELS的TEM中，存在能量分散设备，有时称为“棱镜”，其效果实际上类似于光学棱镜，它按波长分散混合频率的入射光，而在EELS中，具有不同能级的电子被能级分布在整个探测器上的设备分散。EELS设备在棱镜之后还包括能量转移器，该能量转移器可以转移分散的电子光谱，以将图像传感器暴露到整个能量光谱的所需部分。尽管可以将光谱感测为一维现象，但在EELS中，为避免传感器被高能电子损坏，通常使用二维像素阵列，其中电子光谱通常会在非色散方向上散焦在多个像素上

图2和图2A示出了成像传感器暴露和读出的典型现有技术定时。顶部图2A中的图表210和读取/重置时序的特写示出了传感器的读取时间段211(时间帧R)和没有读数定时的时间段212(时间帧E)，频谱高度为像素s。典型的图像传感器顺序读取像素行。在利用传感器定向使得行与y轴正交的情况下，如顶部图表210所示，这种读出可以表示为读相对于时间的y位置。对于连续成像的有源像素CMOS传感器，通常一次读出一行，然后立即将每个读出的行重置，以开始下一帧的暴露。这是所谓的“滚动阅读”机制的示例。

图2A示出了图2中的对角线213的详细视图，其近似于行读取和重置。在图2A中，单个行读取示出为三角形，行重置示出为圆形。在每一行上进行读取操作后，将重置该行。在图2的顶部图表210中，读出发生在感兴趣区域(ROI)或传感器上沿y方向从y值或行号0延伸y值或s的行号的行数的读出高度中。取决于s的值和要用作原点0的行号的选择，该读出范围可以对应于从窄条到传感器整个高度的非分散方向上的任何ROI。通常，读出高度的大小应匹配光谱的高度，如图1A所示。

表210还示出了没有进行传感器读出过程的时间段212。在这些时间内，传感器通常会暴露于诸如EELS频谱的信号中。不进行读出的暴露时间段使传感器可以将暴露时间延长到一次读出传感器所需的时间以上。第二图表220示出了消隐触发信号的定时(实线)和延迟的消隐系统响应(虚线)。底部图表230示出了探测提前触发信号(实线)和探测提前系统响应(虚线)。在两种情况220和230中，触发信号和响应之间的延迟表示为代表系统中的延迟，例如，与响应触发请求而通电的电子光学器件的电抗相关联的时间常数。在现有技术中，在发生暴露212(时间帧E)的同时，停止或暂停传感器读数211(时间帧R)。暴露后，将信号从设备中读出(如果是CCD，则是电荷转移；如果是CMOS，则是有源像素读出)。在读出过程中，没有暴露发生，并且频谱获取时间也浪费了。因此，当暴露时间等于或小于读出时间时，占空比(光谱暴露时间/总时间)和频谱采集速率都会受到很大限制。在图2中，暴露时间与读出时间大致相同，因此该示例中的占空比约为50％。

高占空比是非常需要的。如果没有它，则实验将花费更长的时间，并且对于传感器上任何给定的总光谱暴露，样品损坏会更加严重。CCD读出和普通CMOS读出时间通常约为毫秒(ms)。当频谱采集速率达到由1/R频谱每秒(sps)定义的极限时，占空比趋于零，其中R为传感器读出时间，不可能有暴露时间。通常，这大约是1000sps。诸如非分散方向上的像素合并之类的加快读取速度的已知方法通常会降低信号质量和/或降低信噪比。另一种解决方案是使用专用的高速传感器，例如具有高长宽比的高动态范围像素阵列，但是安装这些传感器会阻止系统用作2D成像器，并且会以其他方式增加系统成本和复杂性。因此，期望一种获得EELS光谱的方法，其使得能够更多地暴露于处理时间占空比。

附图说明