修正粒子衍射技术投影成像误差的方法及系统

本发明涉及晶体材料表征和粒子衍射，具体地，涉及修正粒子衍射技术投影成像误差的方法及系统。

背景技术：

1、20世纪90年代以来，以背散射电子衍射(ebsd)技术为代表的粒子衍射技术迅速发展，已经成为扫描电子显微镜中获得晶体微区的物相分辨与晶体取向的一种常用技术，并已在材料微观组织结构及微织构表征中获得了广泛应用。在高(角)分辨率ebsd(hr-ebsd)中，主要通过基于互相关的局部数字图像相关(dic)算法和(集成)全局dic框架，将扫描电镜获得的衍射图案投影到参考图像上，从而实现更高精度的相对晶体取向测量。在hr-ebsd中，为了提高分辨率及便于形貌观察，许多场发射扫描电镜(sem)使用了半浸没物镜的设计。然而，由于半浸没式物镜极靴下方存在磁场，在实际应用中，会造成样品附近产生漏磁现象、静电场干扰等，这些因素都会导致出射电子轨迹发生畸变，产生投影成像误差。这些误差可能会降低成像质量、减少分辨率，并且影响后续的数据分析和解释。因此，对这些误差进行分析并修正，是提高扫描电镜图像质量的关键。

2、在ebsd系统测量过程中，主要会出现如图1所示的三种误差：

3、1、粒子束扫描误差：在粒子衍射分析中，粒子束可能会偏离所需扫描的位置，导致测量结果的偏移。潜在的原因包括：样品未固定好进而发生滑动，线圈励磁误差而导致粒子束偏转精度不够，实验环境的机械振动，分析仪器本身的扫描精度有限，样品表面附近的静电场等因素。

4、2、投影误差：由于电子显微镜的极靴在样品附近产生漏磁现象、静电场干扰等，从样品中出射的电子会受额外的力，从而并非直线投影到磷屏，使得探测器得到的图片数据有畸变，严重影响分析精度。

5、3、光学畸变：多数的电子探测器都用磷屏等装置，吸收电子并转化为光，而由于光学系统的复杂性和非线性光学效应，光束在经过透镜和其它光学元件时会发生畸变，常见的有桶形畸变和枕形畸变，测量结果也会失真。

6、目前国内外业界在修正扫描误差和光学畸变上已有多个有效的方法，然而关于修正粒子衍射技术投影成像误差的研究讨论还相对较少，限制了后续分析衍射图像的结果的精度。因此，急需一种简单易行且精确的修正粒子衍射技术投影成像误差的方法，提高粒子衍射图像的质量和准确性，使得粒子衍射技术在科学研究和工程应用中发挥更大的作用。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种修正粒子衍射技术投影成像误差的方法及系统。

2、根据本发明提供的一种修正粒子衍射技术投影成像误差的方法，包括：

3、步骤s1：定义包含晶向角或图案中心坐标的投影参数p，以有投影成像误差的实验图案为配准目标构建目标函数，修正投影参数p直至目标函数收敛，获得校正后的投影参数p和无投影误差的模拟图案；

4、步骤s2：定义投影误差参数d，以无投影成像误差的模拟图案为配准目标构建目标函数，修正投影误差参数d直至目标函数收敛，获得校正后的投影误差参数d；

5、步骤s3：利用校正后的投影误差参数d表征每一个实验图案在(x,y)方向的投影畸变位移，通过投影畸变位移纠正实验衍射图案中的畸变。

6、优选地，所述步骤s1包括：

7、根据多张实验衍射图案所具有的共同点，判断所应采用的配准准则；

8、当实验衍射图案源于满足预设要求的区域，则各衍射图片具有相同的投影中心，设置一组相同的图案中心坐标为(x*,y*,z*)；

9、当实验衍射图案源于单晶样品或是同一个区域的多次扫描，则各衍射图片有相同的晶体取向，设置一组相同的欧拉角

10、当各衍射图片具有相同的投影中心时，则投影参数p表示为：

11、

12、当各衍射图片具有相同的晶体取向时，则投影参数p表示为：

13、

14、其中，是第i张衍射图案对应的晶向角，是其投影中心坐标；n表示配准n个衍射图案。

15、优选地，所述以有投影成像误差的实验衍射花样为配准目标构建目标函数，包括：

16、在各衍射图片具有相同的投影中心的配准准则下，目标函数θp为：

17、

18、在各衍射图片具有相同的晶体取向的配准准则下，目标函数为：

19、

20、其中，fi表示衍射图案，g(u)表示衍射标准图案；u表示平面衍射标准图案所在的二维空间；n表示配准了n个衍射图案。

21、优选地，所述修正投影参数p直至目标函数收敛，包括：采用高斯牛顿优化算法修正投影参数p直至目标函数收敛。

22、优选地，所述步骤s2采用：

23、步骤s2.1：将实验衍射图案与模拟图案的均方差之和列为目标函数；

24、

25、其中，fi(x+u(d))为实验衍射图案修正投影畸变后的结果；gi表示模拟图案；

26、步骤s2.2：基于梯度的高斯牛顿算法优化投影误差参数d，使得目标函数最小化。

27、优选地，所述步骤s2采用：采用二维可变阶多项式表示实验衍射图案与模拟图案间的畸变位移，以适应未知且多变的电磁场所导致的各种畸变模式。

28、根据本发明提供的一种修正粒子衍射技术投影成像误差的系统，包括：

29、模块m1：定义包含晶向角或图案中心坐标的投影参数p，以有投影成像误差的实验图案为配准目标构建目标函数，修正投影参数p直至目标函数收敛，获得校正后的投影参数p和无投影误差的模拟图案；

30、模块m2：定义投影误差参数d，以无投影成像误差的模拟图案为配准目标构建目标函数，修正投影误差参数d直至目标函数收敛，获得校正后的投影误差参数d；

31、模块m3：利用校正后的投影误差参数d表征每一个实验图案在(x,y)方向的投影畸变位移，通过投影畸变位移纠正实验衍射图案中的畸变。

32、优选地，所述模块m1包括：

33、根据多张实验衍射图案所具有的共同点，判断所应采用的配准准则；

34、当实验衍射图案源于满足预设要求的区域，则各衍射图片具有相同的投影中心，设置一组相同的图案中心坐标为(x*,y*,z*)；

35、当实验衍射图案源于单晶样品或是同一个区域的多次扫描，则各衍射图片有相同的晶体取向，设置一组相同的欧拉角

36、当各衍射图片具有相同的投影中心时，则投影参数p表示为：

37、

38、当各衍射图片具有相同的晶体取向时，则投影参数p表示为：

39、

40、其中，是第i张衍射图案对应的晶向角，是其投影中心坐标；n表示配准n个衍射图案；

41、所述以有投影成像误差的实验衍射花样为配准目标构建目标函数，包括：

42、在各衍射图片具有相同的投影中心的配准准则下，目标函数θp为：

43、

44、在各衍射图片具有相同的晶体取向的配准准则下，目标函数为：

45、

46、其中，fi表示衍射图案，g(u)表示衍射标准图案；u表示平面衍射标准图案所在的二维空间；n表示配准了n个衍射图案；

47、所述修正投影参数p直至目标函数收敛，包括：采用高斯牛顿优化算法修正投影参数p直至目标函数收敛。

48、优选地，所述模块m2采用：

49、模块m2.1：将实验衍射图案与模拟图案的均方差之和列为目标函数；

50、

51、其中，fi(x+u(d))为实验衍射图案修正投影畸变后的结果；gi表示模拟图案；

52、模块m2.2：基于梯度的高斯牛顿算法优化投影误差参数d，使得目标函数最小化。

53、优选地，所述模块m2采用：采用二维可变阶多项式表示实验衍射图案与模拟图案间的畸变位移，以适应未知且多变的电磁场所导致的各种畸变模式。

54、现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

55、1、对于扫描点足够接近的衍射图案，它们的投影中心应该是相同的，样品附近的电磁场在此期间不应有明显变化，它们的畸变模式也应该是相同的；对于不同模式下多次扫描的区域，它们的晶向角应该是相同的；本发明引入这三个要求，更加符合物理实际的成像效果；

56、2、由于本发明更符合物理实际，计算所得结果有更好的鲁棒性，并在多个应用案例中得到了验证，表现出了良好的稳定性和可靠性；具体而言，在寻求相互影响的两组参数，分别是投影参数p和投影误差参数d下，本发明有效的避免陷入恶性循环、逐步远离实际值；

57、3、在多个数据应用范例中，发现同时配准的衍射图案数量越多，晶向角越随机或者数据采集模式越多样化，本发明的校正结果越好，达到了与无投影畸变时相近的结果；

58、4、本发明建立了一个唯象模型，来描述样品附近可能存在的电磁场对粒子衍射实验中粒子束投影的影响，模型能够捕捉到不同位置和方向上的投影误差，进而更好地理解和纠正实验数据中的失真问题，获得更准确和可靠的结果，并将研究成果推广应用于更广泛的实验环境中；

59、通过同时配准多张衍射图案，本发明实现了更全面的校正效果。

60、5、在配准单张实验图像和对应的模拟图像的基础上，本发明还提出，可以在同时配准多张衍射图案的过程中优化投影参数p和投影误差参数d,从而获得获得更准确和可靠的结果，结合扫描畸变、光学畸变的修正，完善粒子衍射图像各种畸变类型的修正；

61、6、结合此前已有充分研究的粒子束扫描误差修正、光学系统畸变的修正，有望全面修正粒子衍射图像存在的各种畸变，显著提升分析精度，在晶体材料微观结构表征领域具有广泛的应用前景。