什么是景深,如何优化扫描电镜的景深

什么是景深，如何优化扫描电镜的景深？

发布者：飞纳电镜

扫描电镜（SEM）的用途之一就是拍摄样品的细微特征。那么为什么不与日常摄影进行类比呢？下面，让我们来分析一下扫描电镜（SEM）和相机在聚焦物体时的相似之处，以及景深的准确定义。

什么是景深？

在拍摄照片时，目标物体应该始终处于焦点位置，并尽可能地清晰。从艺术的角度来说，这无声地吸引了观察者的注意力。实际上，它揭示了对焦区域的更多细节信息。

但是该物体中有多少部分是真正处于对焦状态，这部分占比又是如何调控的呢？对焦状态的图像部分始终是一个平面，这意味着我们只能对完美的平面进行观察（拍摄）。幸运的是，只要它“足够接近”焦平面，我们的大脑可以处理那些稍微脱焦的部分。而这一部分则被称为景深。

影响景深的因素有几个，调节这些参数，拍摄照片所包含的信息就会变多或变少。光圈大小和聚焦装置（摄影中的镜头和SEM中的物镜）起着重要作用。

成像设备和拍摄目标之间的距离也是很关键的。一般来说，当物体离得很远的时候，景深会增加，而更多的物体会变得足够清晰，使得大脑能够处理并区分它们。

当物体靠近时，景深会急剧下降，而锐利程度或分辨率会增加，从而可以看到物体太远时所观察不到的细节。(见图1)。

图1：a）花朵的特写镜头——近距离拍摄时，周围背景会模糊；b）风景图片——距离拉远，景深从几厘米扩大到几公里。两张照片都采用同一光圈和镜头拍摄。

电子显微镜是如何聚集的

在电子显微镜中，焦点是入射电子束圆锥直径最小时的位置。灯丝发射电子束，镜筒内的电磁透镜以及末端光阑，约束电子束，并决定最小束斑尺寸。

当电子束直径接近最小值时，分辨率将提高。该最小值通常是在特定的、最优的工作距离下获得——工作距离即物镜极靴下表面和样品的间距。工作距离过长或过短时，电子束直径的最小值将会变大。此时，也就无法获得最佳分辨率。不过在这些情况下，仍然是可以对焦的。

电子束直径最小处所对应的水平面即所说的焦平面。当电子束对焦时，所有处于该焦平面上的特征物都是非常清晰的。调焦意味着改变这个平面的高度。在该平面之上或之下的所有特征将逐渐变得越来越模糊，直至无法辨识。

工作距离如何影响景深

总结一下刚才所讨论的：景深指的是工作距离的一段范围，在该范围内，图像的清晰度可以接受。而最佳工作距离可以在对焦时提供最佳分辨率。

然而，有某些情况下，分辨率变得不那么重要，景深对结果的影响则要大得多——例如，在观察较高样品时。

观察昆虫时，能区分所有的特征——例如腿和头顶，是至关重要的关键。在观察电连接时，同样如此。在一张图中可以同时看清整根电线和两端的连接触点，从而对样品有全面的了解，这很有意义。

对于这些情况，较长的工作距离——同时尽可能最优——有助于获得更大的景深，并在图像中清晰地观察到更多细节。

图2帮助解释了工作距离的作用原理。当样品距离极靴更近时，电子束的锥角更大。这意味着稍微偏离焦平面就会导致电子束直径的明显变大，从而图像明显模糊。

图2：物镜、电子束和焦平面的示意图。当工作距离较长时（a），锥角α较小，稍微远离焦平面不会使图像明显模糊；工作距离缩短，锥角β很大，远离焦平面会使电子束直径明显增加，因此图像模糊。另一方面，焦平面上的光束直径更小，分辨率更好。

另一方面，当样品距物镜较远时，光束角较小，并且偏离焦平面所引起电子束直径变化也更小。因此，可以相对清晰地观察到不同高度处的所有特征点。

扫描电镜（SEM）的景深可以从几微米变化几毫米，适当调整景深可以获得最佳的分析结果和成像质量。选择合适的工作距离与正确制备样品是一样重要的。就比如，对样品喷金可以增加有机物样品的背散射电子产率。

关键词：扫描电镜台式电镜台式扫描电镜样品制备

关于作者

Luigi Raspolini

Luigi Raspolini是Phenom-World的应用工程师,后者是台式扫描电镜的领军制造商。Luigi一直在探寻材料表征、表面粗糙度测量及成分分析的新手段。他对改善用户体验、展示最佳拍照技巧总是充满了激情。