STEM中的像素化探测器（1）：数据采集、实时处理与存储

本文将介绍扫描透射电镜（STEM）中的像素化探测器。

扫描透射电镜（STEM）的常规成像长期依赖环形暗场（ADF）探测器，它通过收集特定角度的散射电子，以积分强度反映样品的原子序数衬度，读速快、操作简单，支撑了数十年的常规成像需求。但这种求和式探测会丢失衍射图案中晶体取向、局域电场等丰富信息；且受电镜腔体空间限制，一台电镜很难同时安装多台功能不同的探测器，要获取多种衬度就必须重复扫描，既增加样品辐照损伤，也容易因漂移导致数据错位。

近年来，源自粒子物理的混合像素直接电子探测器进入电镜领域。相比传统 CCD，它噪声更低、探测效率更高、抗辐照能力更强，能以毫秒甚至亚毫秒帧率，在每个扫描点记录完整的二维衍射图案，形成 “二维扫描坐标 + 二维衍射空间” 的四维数据集（4D-STEM）。研究者可事后重构任意角度的明场、暗场像，也能开展差分相位衬度、叠层成像、纳米束衍射等多种分析，因此像素探测器也被称为 STEM 的通用探测器。

每秒数千至上万帧的数据流，首先要解决与电镜扫描系统的精准同步问题；其次采集过程中必须有实时成像反馈，否则实验人员无法定位样品、优化参数；最后体量可达 GB 甚至 TB 级的四维数据，也对存储压缩、随机读取和格式兼容提出了极高要求。这三大工程瓶颈，一度让像素探测器的优势只停留在原理层面，难以成为电镜室的常规工具。

格拉斯哥大学和安特卫普大学Nord团队开源了一套以Medipix3探测器为核心的完整工具链，覆盖硬件控制、实时数据处理与数据归档全流程，为像素化STEM技术的推广应用提供了成熟可复用的技术方案。

混合像素光子计数探测器

整套方案的硬件核心是 Medipix3RX 混合像素光子计数探测器，搭配 Merlin 读出系统，像素阵列为 256×256。每个像素都集成独立的信号处理与计数电路，通过阈值甄别剔除噪声，可实现近乎无噪声的单电子探测。

探测器支持多种工作模式：单像素模式为通用配置；电荷求和模式可合并相邻像素信号，补偿厚传感器的电荷扩散效应，提升空间分辨率；最实用的连续读写模式内置两组计数器，一组曝光计数、一组读出数据，交替工作实现零死时间采集，不浪费电子剂量，尤其适合辐照敏感样品与原子分辨成像。

位深是权衡性能的核心参数。Medipix3 支持 1 位、6 位、12 位、24 位四种位深，搭配 120MHz 的 Merlin 读出系统，单帧读出时间从 70.8 微秒到 1.64 毫秒不等。

钛酸锶晶体成像实验显示：1 位模式衍射细节少，但重构的暗场像仍能分辨原子列，帧率极高，适合快速定位样品；6 位模式衍射特征与图像信噪比明显提升，兼顾速度与信息量；12 位模式直射束不饱和，衍射细节完整，但采集时间更长，样品漂移更明显。和 CCD 不同，Medipix3 不会因中心束饱和损坏硬件，低比特模式下可放心只用高角散射信号成像。

实时处理

电镜实验必须靠实时成像反馈来寻找样品、调节聚焦、优化参数。传统探测器直接输出强度信号，天然具备实时性；像素探测器输出的是衍射图，不处理就无法直观判断样品形貌，相当于 “盲采”。在磁畴成像等传统探测器无衬度的场景中，实时处理更是实验开展的前提。

处理算法分为两类：第一类是扫描型算法，也是实验导航的核心。它将每帧衍射图降维为一个强度值，随扫描推进拼接成二维实空间图像，包括基础的虚拟明场、虚拟暗场，以及面向相位衬度与磁畴成像的单像素提取、质心计算、相位相关等算法。不同算法速度差异很大：单像素提取只需读取衍射盘边缘指定位置的数值，单帧处理仅约 2 微秒，可匹配最高帧率采集；相位相关法需要傅里叶变换与模板匹配，精度更高但计算量大，适合慢速精细成像。实验中可同时运行多组算法，直观权衡速度与灵敏度。

第二类是平行型算法，输出仍为二维图像，比如阈值化衍射图、傅里叶变换图，用于实时监控衍射状态变化。配套可视化界面支持实时调节亮度对比度，拖动、缩放虚拟光阑的位置与大小，所有参数调整即时生效，无需中断采集。处理结果也可通过网络转发回 DM 软件，与电镜原生操作环境无缝衔接。在坡莫合金微盘的磁畴观测中，这套系统可实时呈现磁涡旋结构，完全满足样品定位与条件优化的需求。

存储优化

T像素探测器的数据体量呈量级增长：一次 256×256 像素的常规扫描就有数十兆数据，大视场高分辨采集可达数 GB 甚至 TB 级。原始二进制格式写入快，但缺少元数据、无法随机读取、兼容性差，既不利于长期归档，也不方便后续分析。存储方案直接决定了 4D-STEM 数据的利用效率与共享可行性。

HDF5 作为标准存储格式，这种分层式文件格式在同步辐射、中子散射等领域应用多年，技术成熟，核心优势有四点：一是天然支持任意维度数据集，完美匹配四维 STEM 数据；二是可将显微镜参数、探测器配置、实验条件等元数据嵌入文件结构，实现数据与信息统一归档；三是支持分块存储与透明压缩，读取局部数据无需解压整个文件；四是跨语言、跨软件兼容，Python、Matlab 及主流电镜处理软件均可读取。

分块策略是 HDF5 性能优化的核心，即将四维数据立方体切分为若干小块独立存储，读取时只加载用到的部分。团队对比了两种典型方案：超立方体分块：扫描维度与探测器维度采用相同分块边长，各方向读取性能均衡，适合局域衍射分析、沿扫描方向切片等场景；超矩形分块：以单帧衍射图为一个完整块，仅沿扫描方向切分，读取整帧衍射图速度极快，但沿扫描维度切片性能很差。

4D-STEM 混合像素探测器的演进与现状

4D-STEM 探测器现已分化为两条主流技术路线：纯帧模式以 Merlin（Medipix3RX）、Dectris Arina 为代表，配套软件生态成熟，长期主导静态 TEM 表征场景；基于 Timepix 系列芯片的事件驱动机型凭借稀疏读出优势，成为原位动态实验与 SEM 平台 4D-STEM 的主流选型。

整体来看，纯帧模式技术成熟、数据格式通用兼容性强，可覆盖常规晶体取向表征、应变映射等测试需求；双模式系统灵活性更强，但事件驱动模式存在入射通量上限，对后处理算力与配套工具链要求更高。

国内透射电镜 4D-STEM 表征市场中，纯帧模式探测器累计装机量更高，仍是当前主流选择，覆盖绝大多数稳态研究场景；双模式探测器近年采购增速显著。‍