4DSTEMinSEM-phase-contrast-imaging

Software · výsledek projektu TN02000020 (NCK2 CAEPO)

isi4DSTEM


Python knihovna pro načítání, předzpracování, odhad aberací sondy a jejich využití ve fázově-kontrastních metodách 4D-STEM — se zaměřením na mikroskopy bez korekce aberací (SEM).
balík: isi4dstem

jazyk: Python

nadstavba: py4DSTEM

RIV: 68081731/25:00644569


Co knihovna dělá

isi4DSTEM (balík isi4dstem) zpřístupňuje metody 4D-STEM v prostředí Python. Je určena zejména pro data z mikroskopů bez korektoru aberací, kde je určení a kompenzace aberací sondy nutným krokem pro úspěšnou rekonstrukci fáze. Pro analýzu a zobrazení dat využívá open-source balík py4DSTEM a doplňuje ho o vlastní postupy.

Hlavní funkce

  • Odhad aberací sondy z 4D-STEM dat — tři přístupy (vlastní fit na model CTF, side-band metoda dle Songge, fit v py4DSTEM) a převody mezi polární a kartézskou reprezentací koeficientů až do 5. řádu.
  • Kompenzace aberací ve fázovém kontrastu — použití odhadnutých koeficientů v rekonstrukci (SSB ptychografie) u dat pořízených bez korektoru.
  • Načítání a předzpracování dat — načtení dat z detektoru Timepix a převod do formátu DataCube (ořez Q-prostoru, vycentrování difrakčního obrazce).
  • Virtuální detektory a zobrazení — kruhové, prstencové a segmentované virtuální detektory; techniky BF, DF, iCOM, parallax a ptychografie.

 

Kompenzace aberací — před a po

Nejnázornější doklad přínosu knihovny: bez kompenzace aberací rekonstrukce fáze selhává, po dosazení odhadnutých aberací vzniká čitelný obraz. Tatáž vstupní data.
BEZ KOREKCE

01
Rekonstrukce bez korekce aberací selhává
SSB ptychografie bez korekce aberací — rekonstrukce fáze selhává, vzorek je nečitelný.

S KOREKCÍ

02

Rekonstrukce po kompenzaci aberací je čitelná
Tatáž data po kompenzaci aberací (vlastní fit) — rekonstrukce je čitelná.

Tři metody odhadu aberací

Knihovna nabízí tři nezávislé postupy odhadu koeficientů; níže je výsledná rekonstrukce pro každý z nich.

03
Korekce koeficienty z py4DSTEM.example_direct_contrast_imaging.ipynb

04
Korekce koeficienty z vlastního fitu.example_direct_contrast_imaging.ipynb

05
Korekce koeficienty metodou Songge (side-band).example_direct_contrast_imaging.ipynb

06
Srovnání sondy (beam probe) spočtené z jednotlivých sad aberačních koeficientů.example_direct_contrast_imaging.ipynb
Rozsah tvrzení: obrázky dokládají funkčnost — že software běží a že kompenzace aberací umožní rekonstrukci tam, kde výchozí postup selhává. Nejsou tvrzením o přesnosti určení jednotlivých koeficientů.

Virtuální detektory a fázový kontrast

Ukázky na experimentálních datech (titan-oxidové nanotrubky na grafenu): virtuální detektory a fázově-kontrastní i nekoherentní techniky.

07

Bright-field (BF) obraz z virtuálního detektoru.example_virtual_image_paralax.ipynb

08

Dark-field (DF) obraz z virtuálního detektoru.example_virtual_image_paralax.ipynb

09

Segmentovaný virtuální detektor (vlastní procedura).example_virtual_image_paralax.ipynb

10

Diferenční fázový kontrast (DPC / integrated center-of-mass).example_virtual_image_paralax.ipynb

11

Parallax — zarovnaný bright-field a fit aberací.example_virtual_image_paralax.ipynb

12

Fázová rekonstrukce metodou ptychografie.example_virtual_image_paralax.ipynb

Dostupnost a distribuce

Načítání dat je založeno na proprietárním formátu společnosti Thermo Fisher Scientific, a proto knihovnu nelze zveřejnit jako celek. Veřejná distribuce obsahuje moduly nezávislé na proprietárním načítání (předzpracování, odhad a převody aberací, virtuální detektory, ukázkové notebooky); plná verze včetně načítacího modulu je dostupná interně u spoluvlastníků výsledku.

  • Dokumentace: PDF dokumentace (uživatelská, technická a programátorská) a tři ukázkové Jupyter notebooky, které slouží zároveň jako reprodukovatelné doklady funkčnosti.
  • Umístění softwaru: veřejný repozitář gitlab.com/radlicka/isi4dstem (veřejná část, bez modulu pro proprietární načítání).
  • Licence: GPL-3.0 (GNU General Public License v3)
  • Verze: v1.0.0 · Datum: 16. 7. 2026

Požadavky

Python; závislosti: py4DSTEM, abTEM, NumPy, lmfit.

Modul pro načítání dat (Timepix / formát Thermo Fisher Scientific) není součástí veřejné distribuce.


Související publikace

Z. Jílek, T. Radlička, V. Krzyžánek (2025): Simulation Study of Low-Dose 4D-STEM Phase Contrast Techniques at the Nanoscale in SEM. Nanomaterials 15(1):70. DOI: 10.3390/nano15010070 — open access (CC BY).

Financování

Software vznikl v rámci projektu TN02000020 — Centrum pokročilé elektronové a fotonové optiky (NCK2 CAEPO) za podpory Technologické agentury ČR, na Ústavu přístrojové techniky AV ČR, v. v. i.

Kontakt: Tomáš Radlička (radlicka@isibrno.cz) · Ústav přístrojové techniky AV ČR, v. v. i.

Všechny obrázky jsou reálné výstupy z přiložených Jupyter notebooků (example_direct_contrast_imaging.ipynb, example_virtual_image_paralax.ipynb).

© Ústav přístrojové techniky AV ČR, v. v. i.