長發射源的電子顯微鏡(Electron Microscope, EM)。
電子顯微鏡主要分為兩種，一種是 1931 年由 Knoll 與 Ruska 提出的穿透 式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM) [1]，可觀察樣品內部 結構；另一種是1937 年由 Manfred von Ardenne 發明的掃描式電子顯微術 (Scanning Electron Microscope, SEM) [2]，可觀察樣品表面形貌。
TEM 作用原理可類比光學顯微鏡，1960 年代後透射電子顯微鏡的加速電 壓越來越高，能透視越來越厚的物質。這個時期電子顯微鏡達到了可以分辨 原子的能力，能以0.1～0.2 奈米的解析度觀察樣品的結構，被廣泛應用於癌 症研究、病毒學、奈米技術、半導體研究等。常見顯微鏡架種類與顯微鏡解 析度的演進，如圖1.1。
(a) (b)
圖1.1. 顯微鏡種類(a)與顯微鏡解析度演進史(b) [3,4]
不過，TEM 在觀察二維材料、生物樣品與輕元素(如：H、C、N、O 等)樣 品時，面臨一些挑戰。
首先，根據 Scherzer 定理(1936)，因電磁透鏡的像差必為正數，無法像光學 顯微鏡一樣用正像差與負像差的透鏡組來相消除像差，必須配備像差修正 (Aberration corrected，AC)儀器，如圖 1.1(b)紅點處，而 ACTEM 的球面像差修 正器造價不斐，造成實驗成本大幅上升。
其次，TEM 因電子易散射或被物體吸收，工作電壓在通常上百 keV 的能量 以利穿透樣品，如此高的能量容易損壞樣品。以二維材料為例，TEM 照射石墨 烯時，80keV 以上的電子會將石墨烯的碳原子擊出，造成 knock-on
欲改善物鏡成像造成的像差問題，同調繞射顯微術(Coherence Diffraction Imaging, CDI)是個可行的方案。CDI 利用電腦計算代替物鏡成像，配合相位取 回演算法來成像。
圖 1.2 傳統顯微成像技術與 CDI 原理圖 (a)傳統顯微成像技術利用光學與電磁 透鏡系統作為物鏡來成像。(b)沒有物鏡的 CDI 系統則是記錄樣品的繞射圖，藉 由反傅立葉轉換重建出實數空間的原始影像。
當發射波源穿過樣品時，波的光強度與相位隨著樣品的形貌改變。收取繞 射圖樣僅能記錄強度資訊、相位資訊被丟失了，必須重建相位，在物理學上稱 為相位問題(phase problem)，而重建相位的技術是 CDI 演算法的主要特色。
其中，Hybrid Input Output(HIO)演算法被廣泛應用於一般 CDI 的重建上，
適合觀察侷限(finite)樣品；Ptychography 演算法被應用於掃描式 CDI，具有能看 延伸(extended)樣品的特性，改進了 HIO 僅能看侷限樣品的限制。
本實驗室林君岳博士等人設計了以單原子針作為發射源的低能量同調電子 繞射成像顯微鏡(Point-projection microscope, PPM) [7]。電子源越小，則同調性越 好，繞射條紋的可見度(visibility)也會越高，能記錄高對比的繞射條紋和全像圖。
尖端只有一顆原子的單原子針，是電子繞射最理想的發射源。發射源的操作電壓 控制在1-10 keV，能記錄到對應 0.62 埃解析度的石墨烯繞射圖案。若能使用 CDI 技術重建，將能克服傳統電子顯微鏡的像差與輻射損害問題。
圖1.3 PPM 架設示意圖 [8] 以單原子針為發射源的 PPM，在電子由針尖發出 時，會經過電磁透鏡的加速，再照射於樣品。要注意的是這個透鏡是用來加速 而非用來成像的，加速電子可以增加取樣比例(將於第二章詳述)。微通道板 (Microchannel plate, MCP)具有將訊號放大的功用。
PPM 目前正在改良，使其到達 CDI 的過取樣條件(將於第二章詳述)，並嘗 試擴充其時間解析度的功能。此期間欲為PPM 建立一套可靠的重建方法，先以
1.1 研究動機
本論文欲以實際繞射數據來測試兩種演算法的程式，以氦氖雷射作為發射源，
因使用雷射源或電子源做同調繞射成像，原理皆相同。光學實驗的目的在於二次 確認這兩套程式的可用性，並習得在操作實驗上一些數據處理方法。
光學實驗有操作便利的優勢，除了光學儀器較容易操作與架設之外，實驗環 境也不需在超高真空當中進行，發射源亦不用控制高壓、擔心燒壞針尖，直接轉 開氦氖雷射的開關即可收取繞射圖。