混合叠层成像与质心算法实现离焦校正与噪声抑制的电镜成像新方法

这篇研究论文创新性地提出了一种结合单边带叠层成像（SSB ptychography）与质心算法（COM/iCOM）的混合成像方法——边带掩模质心成像（SBm-COM/iCOM）。该方法通过双重叠区域（DO）的相位信息校正残余像差（包括离焦），并利用物理噪声过滤机制显著降低高频噪声。研究证明该方法在弱相位物体（WPOA）条件下，既能保持传统质心算法对低频信息的增强传递特性，又具备叠层成像的离焦校正能力，为辐射敏感样品（如生物材料）的低剂量原子分辨率成像提供了新方案。

　　

混合成像技术突破电镜分辨率极限

在扫描透射电子显微镜（STEM）领域，传统质心算法（COM）虽能实现相位衬度成像，但严格依赖精确对焦条件。这项研究通过融合单边带叠层成像（SSB ptychography）与质心算法，开发出边带掩模质心成像（SBm-COM/iCOM）新技术，为弱相位物体（WPOA）成像带来三大突破：

像差校正机制创新

基于4DSTEM数据集的双重叠区域（DO）相位分析，SBm-COM能精确测量并补偿离焦等像差。实验显示，在-22 nm离焦条件下仍可解析石墨烯原子晶格（图2），而传统iCOM已完全失效。该技术通过傅里叶空间掩模（式10）选择性保留与样品相位直接相关的信号区域，其校正精度取决于像差参数的测量准确性。

物理噪声抑制原理

区别于统计降噪方法，SBm-COM通过物理机制过滤无效信号区域。当空间频率接近2α_c（α_c为会聚角）时，双重叠区域面积趋近零，形成天然带通滤波（图1A）。模拟显示在5×10⁵ e^-/nm²低剂量条件下，SBm-iCOM重建图像信噪比较传统iCOM提升显著（图4）。

频率传递特性优化

理论推导揭示SBm-iCOM传递函数（式22）在低频段呈现增强特性（图6）。模拟MoS₂/非晶碳膜体系显示（图7-8），SBm-iCOM能同时解析原子晶格和基底厚度变化，而SSB重建会抑制低频信息。通过传递函数补偿（式23），SSB可达到相似效果（图10），但SBm-COM实现了无需后处理的低频增强。

该技术为辐射敏感样品成像提供新范式：既避免传统COM的精细调焦过程（减少无效电子辐照），又通过物理降噪机制实现低剂量原子分辨率。未来可拓展应用于生物大分子、二维材料等弱相位物体的三维电场测绘，为材料科学和结构生物学研究开辟新途径。