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du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，ZZ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7），獲得超景深圖像可以使我們輕松看到此類樣品的全部細(xì)節(jié)。

圖7 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）

       提到掃描電子顯微鏡（SEM）的“景深”，可以用攝影來(lái)做類比，兩者都可以獲得高清圖片，也都要確定需要聚焦的位置。

       拍照時(shí)，您感興趣的物體應(yīng)該總是處于焦點(diǎn)位置，并且盡可能清晰。從藝術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，聚焦可以將攝影師的關(guān)注點(diǎn)傳達(dá)給觀察者，而在實(shí)際應(yīng)用中，聚焦良好的圖片可以展示大量細(xì)節(jié)信息。

       但是待拍攝物體中有多大部分是真正處于聚焦?fàn)顟B(tài)，這部分占比又是如何調(diào)控的呢？對(duì)焦?fàn)顟B(tài)的圖像部分始終是一個(gè)平面，這意味著我們只能對(duì)wan美的平面進(jìn)行成像。幸運(yùn)的是，只要物體中的各部分“足夠接近”焦平面，我們的大腦就可以處理，這部分稱為景深。

       影響景深的參數(shù)有幾個(gè)，調(diào)整這些參數(shù)可以使圖片中包含的信息變多或變少，其中，光闌直徑和聚焦裝置(攝像頭和掃描電鏡鏡筒)至關(guān)重要。

       物體與成像設(shè)備之間的距離也是極其重要的因素。

• 通常，物體越遠(yuǎn)，景深越大，更多物體變得足夠清晰，使得大腦能夠處理和區(qū)分；

• 物體越近，景深越小，清晰度或分辨率會(huì)提高，可以看到物體太遠(yuǎn)時(shí)看不到的細(xì)節(jié)。

不同景深下的兩張照片

（左圖）花兒特寫鏡頭-近距離拍攝，背景變得模糊。

（右圖）風(fēng)景照-遠(yuǎn)距離拍攝，景深從幾厘米增加到幾公里。

電子顯微鏡是如何聚焦的

       電子顯微鏡中，焦點(diǎn)是指入射電子束圓錐直徑Z小時(shí)的位置。。電子源發(fā)出電子束，鏡筒內(nèi)的電磁透鏡和末端光闌約束電子束并決定Z小束斑尺寸。

       當(dāng)電子束直徑接近Z小值時(shí)，分辨率提高。通常達(dá)到特定和Z優(yōu)“工作距離”-(鏡筒底部和樣品之間的距離)時(shí)，可取得該值。

       焦平面是指電子束直徑Z小處對(duì)應(yīng)的水平面。電子束對(duì)焦時(shí)，所有處于焦平面的特征物都將非常清晰。校正焦點(diǎn)意味著改變焦平面高度，焦平面上下的所有特征將會(huì)逐漸模糊，直到無(wú)法識(shí)別。

工作距離如何影響景深

       景深是指工作距離的一定范圍，在該范圍內(nèi)，圖像的清晰度可以接受。理想的工作距離將在聚焦后呈現(xiàn)Z佳分辨率。

       然而，有些情況下，例如，在觀察較高樣品時(shí)，分辨率變得不太重要，反而景深對(duì)結(jié)果的影響更大。對(duì)昆蟲進(jìn)行成像時(shí)，關(guān)鍵是要讓畫面中的所有特征都清晰可辨，比如它的腿和頭。對(duì)電子線路連接成像也是如此，完整觀察樣品需要在同一圖像中聚焦整個(gè)電線和電路板。在這種情況下，較長(zhǎng)的工作距離有助于獲得更大的景深，得到更多細(xì)節(jié)清晰可見(jiàn)的圖像。

       電子鏡筒、電子束和焦平面圖示。(左圖)工作距離越長(zhǎng)，α角越小，遠(yuǎn)離焦平面不會(huì)使圖像變得太模糊。(右圖)工作距離縮短, β角變大，遠(yuǎn)離焦平面使得電子束直徑不斷增大，因此圖像變得更加模糊。反之，焦平面上的電子束直徑越小，圖像分辨率越高。

       樣品越靠近鏡筒，電子束角度越大。這意味著與焦平面的微小偏差將導(dǎo)致電子束直徑不斷增大，從而使得圖像更加模糊。

       反之，樣品距離鏡筒越遠(yuǎn)，電子束角度越小，與焦平面高度的偏差所導(dǎo)致的電子束直徑變化也就越小，因此，可以清晰地觀察到不同高度處的所有特征物。

       通常，掃描電子顯微鏡的景深可以從幾微米增加到幾毫米，通過(guò)調(diào)整景深，可以對(duì)需要ZD關(guān)注的特征進(jìn)行深入觀察，獲得高質(zhì)量的圖像從而取得Z佳的分析結(jié)果。

       如您希望了解更多有關(guān)掃描電鏡的信息，請(qǐng)?zhí)顚懕韱闻c專家交談。（填寫地址：https://www.thermofisher.com/cn/zh/home/global/forms/questionnaire-2017-form-cn.html?cid=cn-ebz-soc-wec-camp-wechat2018-aMSD-pc-mkt-05282018）