論掃描電鏡的景深極限在哪

掃描電鏡作為一種基礎(chǔ)顯微成像工具，因具有超高的放大能力，從而被高校、科研院所、材料研發(fā)和質(zhì)量分析部門廣泛用于研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程。

相比于光學(xué)放大器件，掃描電子顯微鏡使用電子束進(jìn)行成像，放大、分辨能力比光學(xué)顯微鏡有非常大的提升。

圖1 金相樣品光學(xué)顯微鏡圖像 (左) 和掃描電鏡圖像 (右)

景深是一種普適用于所有的光學(xué)成像儀器的概念。所謂景深，就是照片中清晰圖像的范圍，景深越大，我們看到的視野中清晰的范圍就越大，或稱景深分辨能力強(qiáng)；反之，景深越小（淺），視野范圍中能夠清晰的范圍越狹小，成像器材的景深分辨能力越弱（圖2）。

圖2 小景深和大景深

光學(xué)元件中，只有一個(gè)參數(shù)會(huì)直接影響景深分辨能力，那就是光束的收斂角的大或小。光束到達(dá)焦點(diǎn)后，收斂角越小，其得到的景深越深，例如在照相機(jī)中，光圈直徑的減小會(huì)直接將收斂角減小，景深則越深（如圖3）。

圖3 照相機(jī)中光圈對(duì)景深的影響示意圖

與光學(xué)顯微鏡相比，掃描電鏡的成像介質(zhì)（電子束）的匯聚性非常好，因此到達(dá)樣品表面的電子束收斂角通常非常小，因而電鏡的景深分辨能力往往比光學(xué)顯微鏡強(qiáng)（圖4）。

圖4 掃描電鏡 (右) 明顯比光學(xué)顯微鏡 (左) 具有更好的景深分辨能力

但是，我們也同樣需要明確，掃描電鏡的景深分辨能力并非無(wú)限大。在遇到一些極其特殊的樣品時(shí)，比如幾乎垂直放置的多層膜材料（圖5），即使是掃描電鏡也難以表現(xiàn)其全部細(xì)節(jié)。

圖5 近乎垂直放置的多層膜材料截面

Phenom 飛納電鏡為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了獨(dú)有的超景深成像模式。在該模式下，掃描電鏡可以根據(jù)樣品景深進(jìn)行全視野掃描，并自動(dòng)計(jì)算視野所有位置上可以獲得最清晰圖像的工作距離，隨后連續(xù)自動(dòng)曝光，最終得到理論景深無(wú)限制的掃描電鏡圖像。圖 6 展示了超景深模式開(kāi)啟前和開(kāi)啟后的圖像對(duì)比。

圖6 超景深模式開(kāi)啟前后效果對(duì)比

超景深圖像可以滿足大景深成像的應(yīng)用場(chǎng)景，比如金屬、水泥等材質(zhì)的拉伸斷口這類縱深較大的樣品成像及分析（圖8），獲得超景深圖像可以使研究人員輕松看到此類樣品的全部細(xì)節(jié)。

圖8 超景深使用場(chǎng)景 (左：復(fù)雜形狀截面；右：多種材料拉伸斷口)