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拍照中的基本操作——放大倍数控制、聚焦和拍摄

前言

在实践中，设定参数、移动样品并找到目标位置后会进行一系列操作，比如缩放、聚焦、亮度/对比度调节，然后选择所需的速度拍摄图片。本篇讲解拍照操作中的基本操作：放大倍数设定、聚焦和拍摄速度的选择。

1 放大倍数控制

1.1 定义

在扫描电镜中，一端是电子束在样品表面l范围内扫描，另一端是信号在显示器上显示宽度为l的像，如图1所示的对应关系。放大率或者放大倍数(magnification)，被定义为像宽度l与物宽度ι的比值，即：m=l/ι

图1 扫描电镜的物和像的关系以及放大倍数的定义

1.2 实现

通常电镜显示器上图像的宽度l是固定的，所以往往通过调节物的尺寸ι来改变放大倍数。ι越大，可以观察到的范围（即视场）越大，而放大倍数越小，这样利于观察样品的全貌；尺寸ι越小，视场就越小，而放大倍数就越大，这样利于观察特征的细节。在扫描电镜上实现起来也非常简单：使用扫描线圈控制扫描范围的大小，偏转的角度大则扫描范围大，扫描范围大则ι放大倍数小，反之亦然，如上图左侧所示。这样扫描电镜中可以非常便捷地实现放大倍数连续可调，就像无级变速一样便捷。

根据放大倍数的公式，增加l或降低ι，放大倍数理论上可以无限大。但是考虑样品特征和扫描电镜的分辨能力，ι存在下限。超出样品细节特征和设备分辨能力，过大的放大倍数只能导致视场狭小且图像模糊。下图为电感内部铁硅铬氧化物粉末的高倍图像，右边20万倍的图像未必能带来更多有用信息，环境因素带来的干扰却能被观察到。

图2 较高倍数下的图像

再回看图1，不仅在样品上的扫描宽度跟图像的显示宽度存在放大倍数m的关系，在样品上扫描的小格子ι_物和图像上的小格子l_像（图像像素）的大小上也存在放大倍数m的对应，即：m=l_像/ ι_物。ι物也等于扫描步进，为了与图像的像素对应，我们不妨将其定义为样品像素。

当l_像为100 μm时，放大倍数m和样品上格子大小ι_物的关系见表1。

表1 放大倍数与样品上扫描步进的关系

由表1可见，随着放大倍数的增加，扫描步进急剧减小。在100万放大倍数下，扫描步进已经小于电镜分辨率的极限（目前最好的商用扫描电镜分辨率约为0.4 nm），必然会出现虚放大。所以，在很高的放大倍数下，扫描步进急剧变小，受限于扫描电镜分辨能力和样品本身特征，图像会变得模糊。

1.3 低倍率、大视场的实现

在实际的扫描电镜中，虽然也存在单扫描线圈的设置，大部分情况下扫描线圈为两组：一组线圈使得电子束偏离光轴，另一组重新使得电子束返回光轴并穿过物镜的汇合点p以减少像差，如图3所示。

图3 低倍率的一种实现方式

在高放大倍数时，扫描区域较小，电子束偏离光轴的角度也较小，电子束近乎平行于光轴方向入射到每个像素上。所以，最高放大倍数受制于电镜的分辨率。较低的放大倍数除了易于寻找和定位样品外，还具有更高的景深，更大的视场，能反映样品的整体信息。然而，扫描电镜在实现低倍数时存在一些需要克服的困难，有时很难达到很低的放大倍数。所以在一些电镜中，为了实现较低的放大倍率，除高倍模式(high mag mod)外，还设置了专用的低倍模式(low mag mod)。

为了防止图像畸变，夹角γ被限制在很小的范围，同时也限制了扫描的区域（在图3中，如果γ_max是允许的最大角度，那么在工作距离为w1时，样品上的最大扫描范围是ι₁）。如果想增加扫描区域（即降低放大倍数），可以增加工作距离，在工作距离为w2时，样品上的最大扫描范围是ι₂；也可以只使一组扫描线圈工作，在工作距离为w2时，样品上的最大扫描范围是ι₃，明显降低了放大倍数，增加了扫描范围。放大倍数的灵活实现不仅能一览无余，还能纤维毕露。

还有其他超低倍、大视场的实现方式，比如调整光路（开关一些透镜，或改进物镜设计），还有软硬件结合的方式（软件控制样品台移动，连续拍摄然后自动拼接）。

2 聚焦操作

同光学会聚光线一样，在扫描电镜中使电子束会聚于一点的过程，称为聚焦。图4为不同聚焦情况下的电镜图片，可见聚焦时wd也变化，聚焦时图像最清楚。下边让我们详细介绍扫描电镜聚焦实现、对图像的影响以及工作距离的概念。

⑴ capture

⑵ 聚焦演示

图4 不同聚焦情况下图像的变化

图5所示，电子束被物镜的电磁场以一定角度会聚，在样品上形成一个焦斑。在扫描电镜中通常使用工作距离代替焦距。工作距离（working distance, wd），指物镜下端到焦斑的距离。由于扫描电镜成像时焦斑落在样品表面，此时可将工作距离理解为样品到物镜下端的距离；或者反过来说，当工作距离等于样品到物镜下端的实际距离时，成像才是清楚的。如果工作距离跟实际距离不同，则成像不清晰。

图5 扫描电镜的聚焦和操作示意图

由图可见，仅在正焦情况下电子束作用在样品上的焦斑最小，成像最清晰。在理想情况下，本像素的信息来自于本像素区域，若焦斑大于像素则临近像素的信号强度也会被计入本像素区域的信号强度，以此类推，像素之间的信号会互相干扰。因此，在正焦状态下，若焦斑小于扫描步进，没有像素之间信号的干扰，成像清晰；在过焦和欠焦状态下，若焦斑远超扫描步进，则会存在临近间信号干扰，会导致成像模糊。

扫描电镜的操作简单易学，尤其是聚焦操作与光镜类似，但其原理迥异。普通光镜焦距固定，通过调节物镜-样品的位置来实现聚焦，而扫描电镜聚焦则是在样品固定的情况下通过改变物镜磁场（焦距变化）来实现的。如图5所示，调焦时通过鼠标、键盘或旋钮调节物镜线圈的电流来改变磁场强度。电流越大，物镜的磁场越强，其对电子束的会聚作用越强，电子束偏折程度越大，即焦距/工作距离越短。所以，通过对电流的调节可以非常方便地实现对工作距离的调节并实现聚焦。这时，工作距离与物镜到样品的实际距离一致时，图像最清晰。

聚焦决定了图像的清晰和明锐情况，所以需要调节物镜的线圈电流，通过观察图像清晰的情况来实现。若初始样品处于过焦位置（强磁场，短工作距离），我们通过减弱电流，使磁场强度由强变弱，工作距离由小变大。而在样品上的束斑尺寸由大变小再由小变大，图像也随之模糊-清晰-模糊地变化，来回调节则可以找到最适合的条件，使得样品恰好正焦，图片变得最清晰、明锐。

3 聚焦操作建议

聚焦是最基本的操作，似乎非常容易掌握，但是操作不当也得不到清晰的图像。对焦距的判断，无论是光学还是电子光学，越是高倍率判断得越准确，所以拍照时可以先在稍高倍率下（比如是拍照倍数的2~3倍）聚焦，然后回到拍照倍数下进行拍照。再比如在同一位置拍摄多张不同倍数的照片（在高倍率下不出现表面被污染的现象），可以从高倍率开始拍摄以减少聚焦次数。

另外，电镜都具备局部聚焦观察功能（reduced area或reduced scan），通过一个缩小的观察框观察局部。使用这种功能也方便聚焦和调节像散，它有两个优点：一是只观察感兴趣的区域并进行聚焦操作，调节更精确；二是电子束被局限在观察框内，观察时的电子束剂量接近拍照时的剂量，观察的图片跟拍照时的图片亮度和对比度差别不大。

对于电子束敏感样品，聚焦时还应防止电子束损伤。放大操作和使用局部观察都可能使局部的电子束剂量超过样品的耐受范围，或者使表面被污染。可就近在非目标区域聚焦，后在目标区域拍照。对于平面样品，因为缺乏形貌衬度，聚焦和消像散可能存在困难，可以选择有显著落差的区域（如边缘）甚至无关物（如掉落的灰尘）处聚焦，然后再聚焦平整处。

聚焦操作虽然简单，但是为了获得更好的成像质量，需要保障电镜整体电子光学系统的良好工作，如合轴和消像散。工作距离对于成像和分析同样重要，此外，为了达到合适的观察效果，还需要设置参数，如加速电压、束流和束斑，下一篇会叙及。

聚焦（必要时还需消像散）调节好以后，需要选择拍摄模式和时间。

4 拍摄速度选择

在进行光栅扫描时电子束在每个像素点上停留的时间被称为驻留时间（dwell time），通常在纳秒到微秒量级。获得一整幅电镜图片的时间称为扫描时间（frame time），一般从几秒到几十秒（根据驻留时间和像素尺寸）。电子束驻留时间短，则收集信号少、信噪比差、图片模糊，但扫描速度快、图片采集时间短。如果驻留时间很长（假设样品也不变化），那么收集到的信号量就比较多，图片信噪比会更好，但是整个图片耗时长、扫描速度慢。在电镜软件中可以通过改变这些时间或者选择速度挡位。

图像由信号和噪声组成。信号与被扫描的物体特征相关，噪声在本质上是随机的。因此，对同一区域进行多次扫描，那么恒定的信号被叠加，而随机的噪声则被部分抵消，这样可以增强信号、抑制噪声。除了设置扫描时间的长短（扫描速度的快慢）外，电镜还有几种降噪模式：线积分/平均、帧积分/平均、隔行扫描、漂移校正模式等。

线积分扫描（line int），水平方向的信号快速叠加多次，然后再做垂直方向的扫描。多帧叠加或帧积分（frame int.），将多帧图像叠加以消除噪声。多帧叠加通常选择快的帧速率和/或小的束流，可以有效避免慢的帧速率和/或高束流下电荷积累或电子束损伤而产生的假象，但是当样品不稳定或漂移时则不适用。漂移矫正（drift comp. frame. int.），较之多帧叠加其优势在于智能算法，通过比较图像来识别漂移再进行叠加补偿。这种方法对于存在样品漂移、轻微荷电时的成像有较好作用。

图6 几种降噪扫描方式

参考文献

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