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突破扫描电镜景深极限

 发布时间:2019-07-04 点击量:101

扫描电镜作为一种基础显微成像工具,因具有超高的放大能力,从而被高校、科研院所、材料研发和质量分析部门广泛用于研发、生产过程。

 

相比于光学放大器件,扫描电子显微镜使用电子束进行成像,放大、分辨能力比光学显微镜有非常大的提升。

 

   

图1 金相样品光学显微镜图像 (左) 和扫描电镜图像 (右)

 

景深是一种普适用于所有的光学成像仪器的概念。所谓景深,就是照片中清晰图像的范围,景深越大,我们看到的视野中清晰的范围就越大,或称景深分辨能力强;反之,景深越小(浅),视野范围中能够清晰的范围越狭小,成像器材的景深分辨能力越弱(图2)。

 

图2 小景深和大景深

 

光学元件中,只有一个参数会直接影响景深分辨能力,那就是光束的收敛角的大或小。光束到达焦点后,收敛角越小,其得到的景深越深,例如在照相机中,光圈直径的减小会直接将收敛角减小,景深则越深(如图3)。

 

图3 照相机中光圈对景深的影响示意图

 

与光学显微镜相比,扫描电镜的成像介质(电子束)的汇聚性非常好,因此到达样品表面的电子束收敛角通常非常小,因而电镜的景深分辨能力往往比光学显微镜强(图4)。

 

   

图4 扫描电镜 (右) 明显比光学显微镜 (左) 具有更好的景深分辨能力

 

但是,我们也同样需要明确,扫描电镜的景深分辨能力并非无限大。在遇到一些极其特殊的样品时,比如几乎垂直放置的多层膜材料(图5),即使是扫描电镜也难以表现其全部细节。

 

图5 近乎垂直放置的多层膜材料截面

 

Phenom 飞纳电镜为了应对这一问题,开发了独有的超景深成像模式。在该模式下,扫描电镜可以根据样品景深进行全视野扫描,并自动计算视野所有位置上可以获得最清晰图像的工作距离,随后连续自动曝光,最终得到理论景深无限制的扫描电镜图像。图 6 展示了超景深模式开启前和开启后的图像对比。

 

图6 超景深模式开启前后效果对比

 

超景深图像可以满足大景深成像的应用场景,比如金属、水泥等材质的拉伸断口这类纵深较大的样品成像及分析(图 7),获得超景深图像可以使研究人员轻松看到此类样品的全部细节。

 

  

图7 超景深使用场景 (左:复杂形状截面;右:多种材料拉伸断口)

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