电子显微镜的景深和显微镜的分辨率
医学实验 电镜原理
质量厚度
定义为样品上被观察点的样品的密度ρ 乘以该
点入射电子束穿过样品的距离t，单位ug/cm2，是反
映散射电子多少的一个物理量，ρ t不同，散射电子 量不同，即物质的组成结构不同。
25
电子在磁场中的运动
电子在磁场中的受力: F=eHvsin
H为磁场强度 v为电子的速度 为H和v的夹角
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35
透射电子显微镜组成
一.电源系统
１.高压电源 ２.电子枪灯丝电源 ３.偏压电源
４.透镜电源 二.电子光源
1.电子枪，2.聚光镜（固定光阑，活动光阑）
三.成像系统 1.样品室 2.物镜，物镜活动光阑，消象散器 3.中间镜（I，II） 4.投影镜，限场光阑 5.荧光屏
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四.照相记录系统
1.照相室 2.底片夹 3.发片盒 4.收片盒 五.控制系统 1.计算机系统 2.自动保护系统 3.工作状态显示 4.自动照相 六.真空系统 1.低真空（旋转机械泵） 2.高真空（扩散泵或 分子泵） 3.真空电磁阀 4.空气压缩机 5.手动控制面板
×100
×20
×100
三次象 （荧光屏） （a）高放大率
2X105 （b）衍射 （c）低放大率
45
物镜关闭 无光阑
中间镜 （作物镜用）
0.5
第一实象 投影镜
100
（荧光屏）
极低放大率
46
光镜和电镜的光路图
光源
聚光镜 试样 物镜 电子枪
聚光镜
试样 物镜
中间象
目镜
中间象 投影镜
毛玻璃 照相底板
观察屏 照相底板
样品不同部位的物质结构，所以可用来分析和研究样品
的超微结构。
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光学显微镜与扫描电镜的区别(2)
光学显微镜与扫描电镜的区别（二）cyh(2010-07-13 11:59:00)光源不同：光学显微镜采用可见光作为光源，电子显微镜采用电子束作为光源。
成像原理不同：光学显微镜利用几何光学成像原理进行成像，电子显微镜利用高能量电子束轰击样品表面，激发出样品表面的各种物理信号，再利用不同的信号探测器接受物理信号转换成图像信息。
分辨率不同：光学显微镜因为光的干涉与衍射作用，分辨率只能局限于0.2-0.5um之间。
电子显微镜因为采用电子束作为光源，其分辨率可达到1-3nm之间，因此光学显微镜的组织观察属于微米级分析，电子显微镜的组织观测属于纳米级分析。
景深不同：一般光学显微镜的景深在2-3um之间，因此对样品的表面光滑程度具有极高的要求，所以制样过程相对比较复杂。
扫描电镜的景深则可高达几个毫米，因此对样品表面的光滑程度几何没有任何要求，样品制备比较简单，有些样品几乎无需制样。
体式显微镜虽然也具有比较大的景深，但其分辨率却非常的低。
应用领域：光学显微镜主要用于光滑表面的微米级组织观察与测量，因为采用可见光作为光源因此不仅能观察样品表层组织而且在表层以下的一定范围内的组织同样也可被观察到，并且光学显微镜对于色彩的识别非常敏感和准确。
电子显微镜主要用于纳米级的样品表面形貌观测，因为扫描电镜是依靠物理信号的强度来区分组织信息的，因此扫描电镜的图像都是黑白的，对于彩色图像的识别扫描电镜显得无能为力。
扫描电镜不仅可以观察样品表面的组织形貌，通过使用EDS、WDS、EBSD等不同的附件设备，扫描电镜还可进一步扩展使用功能。
通过使用EDS、WDS辅助设备，扫描电镜可以对微区化学成分进行分析，这一点在失效分析研究领域尤为重要。
使用EBSD，扫描电镜可以对材料的晶格取向进行研究。
断口分析研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。
金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。
断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关断裂全过程的许多珍贵资料，所以在研究断裂时，对断口的观察和研究一直受到重视。
电子显微镜光学显微镜成像原理异同点
电子显微镜光学显微镜成像原理异同点电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。
电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示。
20世纪70年代，透射式电子显微镜的分辨率约为0.3纳米(人眼的分辨本领约为0.1毫米)。
现在电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，而光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。
1931年，德国的克诺尔和鲁斯卡，用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器，并获得了放大十几倍的图象，证实了电子显微镜放大成像的可能性。
1932年，经过鲁斯卡的改进，电子显微镜的分辨能力达到了50纳米，约为当时光学显微镜分辨本领的十倍，于是电子显微镜开始受到人们的重视。
到了二十世纪40年代，美国的希尔用消像散器补偿电子透镜的旋转不对称性，使电子显微镜的分辨本领有了新的突破，逐步达到了现代水平。
在中国，1958年研制成功透射式电子显微镜，其分辨本领为3纳米，1979年又制成分辨本领为0.3纳米的大型电子显微镜。
电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。
其他的问题，如电子枪亮度和电子透镜质量的提高等问题也有待继续研究。
分辨能力是电子显微镜的重要指标，它与透过样品的电子束入射锥角和波长有关。
可见光的波长约为300～700纳米，而电子束的波长与加速电压有关。
当加速电压为50～100千伏时，电子束波长约为0.0053～0.0037纳米。
由于电子束的波长远远小于可见光的波长，所以即使电子束的锥角仅为光学显微镜的1％，电子显微镜的分辨本领仍远远优于光学显微镜。
电子显微镜由镜筒、真空系统和电源柜三部分组成。
镜筒主要有电子枪、电子透镜、样品架、荧光屏和照相机构等部件，这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体；真空系统由机械真空泵、扩散泵和真空阀门等构成，并通过抽气管道与镜筒相联接；电源柜由高压发生器、励磁电流稳流器和各种调节控制单元组成。
第四章 电子显微镜分析基础
极靴小孔隙中。如图19.6(a)、(b)、(c)所示，(c)是一种强
磁透镜。由于透镜焦距与所采用的磁场相关 磁场越强 焦 距越短 放大倍数也就越大 电子显微镜的成像物镜大多采 用短焦距的强磁透镜
强磁透镜
2.3 电磁透镜的像差、分辨本领、景深和焦长
ro
2
理论上 电子显微镜的分辨率很高 但事实上 其分辨率远
2.4 电子显微镜与光学显微镜的对比 电子显微镜在分辨本领、放大倍数、景深、焦长等 许多方面有着明显的优点 它能把微区（几个微米）、
甚至超微区（10nm以下）把形貌、成分、结构三个主
要测试方面的内容密切结合起来进行研究
电子显微镜的发明及发展开拓了许多新的研究领
域 但电子显微镜也有一些局限性 需要光学显微镜和
第4章
电子显微镜分析基础
一、光学显微镜的分辨率
人眼分辨极限只有0.2mm 光学显微镜的分辨极限是
0.1μm 电子显微镜的分辨率普遍达到0.3nm 最好的电
子显微镜的分辨率已经达到0.07nm 一般原子、离子半
径大约在0.1nm左右
在电子显微镜下可以直接观察到分子 甚至原子的世界 这
个分辨能力比人眼高出了近100万倍 比最好的光学显微
2.3.2电磁透镜的分辨本领 分辨本领取决于透镜的像差和衍射效应所产生的 散焦斑（或称埃利斑）尺寸的大小 光学显微镜在最佳 情况下 分辨本领可以达到照明光波波长的二分之一 电子束波长比可见光波长小五个数量级 如果电磁透镜 像差（特别是球差）能得到较好的矫正 那么它的分辨 本领理应达到照明波的半波长0.002nm极限值（按加速
1 eV m 2 2
式中 e为电子电荷绝对值 V为加速电压(kV) ν为电子运动速 度 m为电子的质量 从上式可以得到电子运动的速率为：
电子目镜显微镜景深的确定与测量
电 子 目镜 显 微 镜 景 深 的 确 定 与 测 量
孙丽存 ， 孟伟东， 李 强， 普小云
（ 云南大学 物理科学技术学院 物理 系， 云南 昆明 ６ ５ Ｏ ０ ９ １ ）
摘要 ： 从 景深 的基 本 概 念 出 发 ， 研 究 了 电子 目镜 显 微 镜 的景 深 与其 物理 景深 和 几 何 景 深 之 间 的 关 系 。提 出 物 理 景 深 与 几 何景深在数学上满足“ 相或” 而非“ 求和” 关 系 的观 点 ， 并 以此 推 导 出 了 电 子 目镜 显 微 镜 的 景 深 满 足 的计 算 公 式 。设 计 了 毛细管测量系统 ， 用 其 测 量 了有 效数 值孔 径 不 同 时 电 子 目镜 显 微 镜 （ 横 向放大 率为 ２ Ｏ ×１ ０ ） 的景 深 ， 以 及 有 效 数 值 孔 径 等于显微物镜数值孔径时 ， 不 同规 格 电 子 目镜 显 微 镜 的 景 深 。实 验 测 量 结 果 与 理 论 推 导 结 果 基 本 吻 合 ， 表 明 电 子 目镜 读 数 显 微 镜 的 景 深 值 等 于 物 理 景 深 与 几 何 景 深 中 的较 大 值 ， 而不是两者之和 。 关 键 词： 电子 显 微 镜 ； 成像 系统 ； 景深 ； 电子 目镜 ； 有 效数 值 孔 径 ； 毛 细管
（ Ｄｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ，Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，
Ｙｕ ｎ ｎ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｋ ｕ ｎ ｍｉ ｎ ｇ ６ ５ ０ ０ ９ １，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｔ ｅ ｍ ｗａ ｓ ｄｅ ｓ ｉ ｇｎｅ ｄ．Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｍｅ ａ ｓ ｕｒ ｅ ｍｅ ｎｔ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ ，ｔ ｈｅ ＤＯＦｓ ｆ ｏｒ ａ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ａ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｖ ｅ ｒ ｓ ａ ｌ ｍａ ｇ— ｎｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏｆ １ ０× ２ Ｏ ｗａ ｓ ｍｅ ａ ｓ ｕｒ ｅ ｄ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ａ ｌ ｌ ｙ ｂｙ ｖ ａ ｒ ｙ ｉ ｎｇ ｉ ｔ ｓ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖｅ ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｐｅ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ａ ｎｄ ｔ ｈｏ ｓ ｅ ｆ ｏ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｔ ｔ ｙ ｐｅ ｓ ｏ ｆ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ａ ｌ ｓ ｏ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｗｈｅ ｎ ｔ ｈｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｐｅ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ
电子显微镜高分辨率成像原理解析
电子显微镜高分辨率成像原理解析电子显微镜是一种利用电子束代替光束进行成像的高分辨率显微镜。
相比传统光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率和更强的穿透能力，因此在物理学、材料科学、生物学等领域具有广泛的应用。
本文将解析电子显微镜的高分辨率成像原理。
电子显微镜的高分辨率成像原理基于电子波的性质。
与光波相比，电子波有更短的波长，因此可以提供更高的分辨率。
电子显微镜中使用的是加速的电子束，其波长约为0.004 nm，远远小于可见光的波长（约为500 nm）。
由于波长的差异，电子波在物质中传播时与光波有明显不同的相互作用。
在电子显微镜中，电子束首先通过电子枪发射出来。
电子枪由一个热阴极和一系列电场构成，使电子获得高速和定向。
然后，电子束经过一系列电磁透镜进行聚焦，以提高成像的分辨率。
透镜的聚焦原理与光学显微镜中的透镜类似，但是由于电磁透镜对电子束的作用是基于电磁力而不是折射，因此可以实现更高的分辨率。
在样品前面放置一个光学透镜或者一个透明的薄膜，这样可以让电子束在穿过样品之前先经过一次散射。
散射过程会产生一个衍射斑，其中包含了有关样品的信息。
这个衍射斑被成像系统接收，并通过数学逆变换（如傅里叶变换）来还原成样品的图像。
为了获得高分辨率的成像，电子显微镜通常使用透射电子显微镜（TEM）。
在TEM中，电子束穿过非常薄的样品，然后通过光学透镜进行成像。
这种设计可以减少样品与电子束之间的相互作用，提高成像的分辨率。
另一种常用的电子显微镜是扫描电子显微镜（SEM）。
在SEM中，电子束通过针尖和样品之间的空间，而不是穿过样品。
电子束扫描样品表面，并通过扫描电子显微镜的探测器接收反射、透射、散射的电子，然后将这些信号转化为图像。
SEM通常用于观察样品表面的形貌和细微结构。
除了分辨率，电子显微镜的成像质量还取决于样品的制备和环境条件。
样品的制备通常涉及将样品切割成非常薄的切片，并在真空或低压环境中进行观察，以避免电子束与空气分子相互作用。
光学显微镜和电子显微镜的分辨率比较
光学显微镜和电子显微镜的分辨率比较光学显微镜和电子显微镜是两种常见的显微镜，被广泛应用于生物学、医学、材料科学等领域的研究。
虽然它们都能够扩大物体的细节，但在分辨率方面存在显著差异。
本文将对光学显微镜和电子显微镜的分辨率进行比较，并探讨其差异和应用领域。
光学显微镜是一种利用光的传播和折射原理的显微镜。
其分辨率受到光的波长限制，常见的最高分辨率约为几百纳米。
这是因为可见光的波长范围在400到700纳米之间，物体的细节受到光的散射和衍射影响，限制了显微镜的分辨力。
因此，无论显微镜的其他性能如何，光学显微镜无法解析小于光的波长的细节。
与之相比，电子显微镜利用了电子束而不是光束。
由于电子的波长比可见光短得多，电子显微镜可以提供比光学显微镜更高的分辨率。
电子束的波长通常在纳米和皮米级别，因此电子显微镜的分辨率可达到亚纳米级别，甚至更好。
电子显微镜有两种常见的类型，即传统的透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。
在TEM中，电子束通过样本，形成投影图像。
这种显微镜的分辨率通常在纳米级别，并可提供原子级分辨率。
相比之下，SEM将电子束聚焦在样本表面，通过扫描获取样本表面的形貌信息。
SEM的分辨率通常略低于TEM，但仍可达到几纳米级别。
除了分辨率的差异外，光学显微镜和电子显微镜还有其他的不同之处。
首先，光学显微镜使用常见的可见光作为光源，而电子显微镜使用的是束缚电子源。
其次，对于光学显微镜，样本准备相对简单，可以直接观察生物细胞和组织切片等，而电子显微镜对样本的制备有更高的要求，需要特殊的样品制备技术，如薄切片、金属喷涂等。
此外，电子显微镜一般需要在真空环境下操作，而光学显微镜则不受此限制。
根据分辨率和特点的差异，光学显微镜和电子显微镜在不同领域有不同的应用。
光学显微镜广泛应用于生物学和医学领域，可以观察到细胞、细菌、组织结构等生物样本的细节。
电子显微镜则在材料科学、纳米科学和凝聚态物理等领域发挥着重要作用。
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。
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电子显微镜的景深和显微镜的分辨率
显微镜由于电子的波动性，当它通过小孔光阑时会发生衍射现象。
衍射结果表现为每个物点形成的像是一个圆斑(周围的副光环可忽略不计)。
定义这个衍射圆斑的半径为衍射像差。
在像方或物方可分别表示为:
(Ar&ff),=0.611/a(1一22a)
(1rdff)o=0.61A/ao(1一22b)
式中各符号的意义同前。
可以看出加大光阑孔径角as，可以减小衍射差。
但实际工作中还应注意这样会带来的不利影响。
景深和焦探(11)
景深就是在保持像清晰的前提下，可允许物面在轴上的移动距离，或者说可允许物上不同部位处的凹凸差。
根据图1-10，理想情况下物点P成像在Q点.如果物面在P点前后P’P"之间移动，则在Q看到的物有一定横向宽度。
如果透镜有各种像差。
该系统实际存在一个对物的可分辨极限(分辨率8)。
显微镜价格只要P’P,,间平面上的物点宽度小于或等于s，则在Q处的成像效果与P点处几何物点造成的像斑是相同的，即其清晰度相同。
因此可允许的物在轴上最大距离PP"称景深Do，它由下式定出:
D0二
(1一23)
式中d一电子光学系统对物的分辨率;
ao一电子束的物方有效孔径角.
对于100kV的电镜，偏光显微镜如果分辨率为lnm，物镜孔径角为5X10-1rad，则景深Do=200nm.这表示样品厚度或表面凹凸起伏不超过200nm时，能得到均匀清晰的图像.由此可见景深也常常成为对样品厚度的限制因素之一。
把景深这一特性转换到像方便可得到焦深Df。
它就是为了得到清晰度相同的像，可允许的图像显示或记录平面的轴向位移量。
参照(1一23)可得:
Df=B;/a(1一24)
式中S;一像方的分辨率;a;一电子束的像方有效孔径角。
显微镜像方分辨率S;受观察荧光屏的分辨率所限制。
通常荧光屏的分辨率为505m。
如电镜最高放大倍数M=10`X，电子束孔径角ao=5X10-’rad，则最长焦深(D1),o,==100M。
即使在最低放大倍数M=10’X，相应的ao=1X10-’rad时，最低焦深(Df).二50cm。
可见电镜的焦深值很大.这就说明了在透射电镜中为什么我们只对荧光屏调焦，而把像记录在其下方的电子感光板或其上方的35mm胶片上时，总能得到清晰的像。
本文由广州深华实验室仪器设备整合发布。