电子显微2-像差焦深场深

1、电子显微分析像差 焦深 场深602012.2510.9785 10212hhmvVVeVeVmm c上面讨论的电子透镜的上面讨论的电子透镜的聚焦成像问题有限制聚焦成像问题有限制条件，即假定：条件，即假定： (透镜电磁场透镜电磁场)具有理想的具有理想的轴对称性轴对称性 轨迹满足旁轴条件轨迹满足旁轴条件 电子波的波长电子波的波长(速度速度)相同相同 实际情况与理想条件偏离，实际情况与理想条件偏离，造成电子透镜各种造成电子透镜各种像差像差 像差的存在，影响图像的清像差的存在，影响图像的清晰度和真实性，决定了透镜晰度和真实性，决定了透镜只具有一定的分辨本领，从只具有一定的分辨本领，从而限制了电子显微镜

2、的分辨而限制了电子显微镜的分辨本领。本领。电子透镜的缺陷电子透镜的缺陷 像像 差：差：图像模糊不清图像模糊不清像与物的几何形状不完全相似像与物的几何形状不完全相似导导 致致o 球差球差o 色差色差 o 轴上像散轴上像散o 畸变畸变l物面上一点散射出电子束，不能全部会聚在一点物面上一点散射出电子束，不能全部会聚在一点l物面上的各点不按比例成像于同一平面物面上的各点不按比例成像于同一平面电磁透镜的像差和理论分辨本领电磁透镜的像差和理论分辨本领 是由于电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对电子是由于电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对电子束的会聚能力不同而造成的。束的会聚能力不同而造成的。假设张角最大电子的像落在

3、假设张角最大电子的像落在P点点,张角最小电子的像落在张角最小电子的像落在P点点,透镜光阑有一定大小透镜光阑有一定大小同是同是P点发出的电子点发出的电子当当张角不同张角不同时时, 落在不同点上落在不同点上透镜透镜光阑光阑一、球一、球 差差 无论像平面在什么位置，都不能得到一清晰无论像平面在什么位置，都不能得到一清晰的点像，而是一个一定大小的弥散圆斑。的点像，而是一个一定大小的弥散圆斑。直径最小 341aMCSsmr球差最小弥散圆：在球差最小弥散圆：在PP间某一位置可获得最小的弥散圆斑。间某一位置可获得最小的弥散圆斑。M M放大倍数；放大倍数；C Cs s球差系数；球差系数；孔径半角孔径半角 球差

4、是电子显微镜最主要的像差之一，它往球差是电子显微镜最主要的像差之一，它往往决定了显微镜的分辨率。往决定了显微镜的分辨率。 球差几乎是一种无法克服的像差。球差几乎是一种无法克服的像差。最小弥散圆最小弥散圆半径为：半径为： 几何光学中由于光几何光学中由于光颜色颜色(波长波长)不同不同，经过透镜折，经过透镜折射率不同，在不同点聚焦而产生的像差称射率不同，在不同点聚焦而产生的像差称色差色差。 电子光学中，电子透镜成像也有色差。电子光学中，电子透镜成像也有色差。 加速电压的波动加速电压的波动及阴极逸出电子能量起伏等原因，及阴极逸出电子能量起伏等原因，使得成像电子的使得成像电子的波长不完全相同波长不完全相

5、同，使透镜的焦距，使透镜的焦距发生变化。发生变化。 这种色差使得一个物点变成为某种散射图形，影这种色差使得一个物点变成为某种散射图形，影响了图像的清晰度。响了图像的清晰度。 二、色二、色 差差 色色 差：是由于电磁透镜磁场对差：是由于电磁透镜磁场对不同波长的电子不同波长的电子的的会聚能力不同会聚能力不同而造成的。而造成的。一个物点散射的具有不同波长的电子，进入透镜磁场后将沿着各自的轨迹运动，不能聚焦在一个像点上直径最小能量为E的电子轨迹象1透镜物P光轴能量为E- E的电子轨迹象2 EECCcr引起电子束波长（能量）变化的原因：引起电子束波长（能量）变化的原因：加速电压不稳定，引起电子束能量波动

6、。加速电压不稳定，引起电子束能量波动。电子受到一次或多次非弹性散射，致使能量受损。电子受到一次或多次非弹性散射，致使能量受损。 减小试样厚度利于减小色差。减小试样厚度利于减小色差。还原到物平面还原到物平面色差最小弥散圆半径：色差最小弥散圆半径：Cc透镜的色差系数（随激磁电流增大而减小）透镜的色差系数（随激磁电流增大而减小）孔径半角孔径半角 E/E成像电子束能量变化率成像电子束能量变化率60201 2 . 2 510 . 9 7 8 51 0212hhm vVVe Ve V mmc 由于透镜磁场由于透镜磁场不是理想旋转对称磁场不是理想旋转对称磁场而引起的像差。而引起的像差。 实际的透镜磁场不完全

7、旋转对称，只是近似的实际的透镜磁场不完全旋转对称，只是近似的双对称场双对称场 场分布有场分布有两个互相垂直的对称面两个互相垂直的对称面（XZ面、面、YZ面）面） 透镜在不同对称面方向的透镜在不同对称面方向的焦距不同焦距不同三、轴上像散三、轴上像散平面BPA透镜平面物P光轴PBfA 平面A若与平面A和B对应的磁场强度不对称，对电子束汇聚能力不同 物点物点P在在XZ平面平面上成像于上成像于P点点, 在在YZ平面平面上成象于上成象于P点点 一物点所成像是椭圆斑，图像不清晰一物点所成像是椭圆斑，图像不清晰 产生原因：极靴材料不均匀、加工精度、装配误差、污染等产生原因：极靴材料不均匀、加工精度、装配误差

8、、污染等 轴上像散是影响电镜分辨本领的主要像差之一轴上像散是影响电镜分辨本领的主要像差之一 电镜配置有消像散器，尽量校正像散电镜配置有消像散器，尽量校正像散 最小弥散圆半径：最小弥散圆半径： 还原到物平面还原到物平面frAA21fA像散引起的最大焦距差像散引起的最大焦距差直径直径最小最小枕型畸变枕型畸变桶型畸变桶型畸变旋转畸变旋转畸变正方形物正方形物球差系数随激磁电流减小而增大球差系数随激磁电流减小而增大低放大倍数时易产生畸变低放大倍数时易产生畸变小电流，球差严重小电流，球差严重四、畸四、畸 变变 正球差正球差枕型畸变枕型畸变 负球差负球差桶型畸变桶型畸变 磁转角磁转角旋转畸变旋转畸变远轴区对

9、电子远轴区对电子束的会聚能力束的会聚能力比近轴区大比近轴区大远轴区对电子远轴区对电子束的会聚能力束的会聚能力比近轴区比近轴区小小受衍射效应、球差、色差、轴上像散等因素的影响受衍射效应、球差、色差、轴上像散等因素的影响 4321SthACro 理论分辨本领为理论分辨本领为0.2nmo 随高压电子束做照明源及用低球差透镜，理论可达随高压电子束做照明源及用低球差透镜，理论可达0.1nm仅考虑衍射效应和球差时，电磁透镜的理论分辨本领为仅考虑衍射效应和球差时，电磁透镜的理论分辨本领为 A常数，约常数，约0.40.5，决定于推导时的不同假设条件。，决定于推导时的不同假设条件。五、电磁透镜的分辨本领五、电磁

10、透镜的分辨本领理论分辨距离光学显微镜的分辨本领基本上决定于象差和衍射，而象差基本上可以消除到忽略不计的程度，因此，分辨本领主要取决于衍射(Airy斑)。电子透镜中，不能用大的孔径角，若这样做，球差和象差就会很大，但可通过减小孔径角的方法来减小象差，提高分辨本领，但不能过小。显微镜的分辨极限是电镜情况下， ， 因此可见，光阑尺寸过小和衍射两者所限定，会使分辨本领变坏，这就是说，光阑的最佳尺寸应该是球差的值sin.ndn .d.sC/sbestC 式中的f 为透镜的焦距。将 代入可得目前，通用的较精确的理论分辨公式和最佳孔径角公式为将各类电镜缺陷的影响减至最小，电子透镜的分辨本领比光学透镜提高了一

11、千倍左右。best/minsCd/min.sCd/min.sC1. 场深（景深）不影响分辨本领的前提下，物平面可沿透镜轴移动的距离(Df )。场深反映： 试样在物平面上下移动的距离； 试样的允许厚度。场深范围内，试样各部位均能调焦成像场深范围内，试样各部位均能调焦成像电磁透镜的场深和焦深电磁透镜的场深和焦深 当当r=1nm =10-310-2rad时，时，Df2002000nm 在不影响成像分辨率条件下（在不影响成像分辨率条件下（Xr），场深），场深 Df ：对于加速电压为对于加速电压为100KV的电镜，样品厚度一般控制的电镜，样品厚度一般控制200nm以下以下rDf22.焦深在不影响透镜成像

12、分辨本领的前提下， 像平面可沿镜轴移动的距离（Di）。焦深反映：像平面可上下移动的距离。观察屏或照相底片可上下移动的距离及安装位置。 焦深焦深 Di：当当r=1nm =10-2rad M=20000倍时倍时 Di=20m当用倾斜的观察屏观察，或照相底片位于当用倾斜的观察屏观察，或照相底片位于观察屏下方时，同样可得到清晰的图像。观察屏下方时，同样可得到清晰的图像。MDMDfir22223 日本日立公司H700电子显微镜，配有双倾台，并带有7010扫描附件和EDAX9100能谱。该仪器不但适合于医学、化学、微生物等方面的研究，由于加速电压高，更适合于金属材料、矿物及高分子材料的观察与结构分析，并能配合能谱进行微区成份分析。 分分 辨辨 率：率：0.34nm 加速电压：加速电压：75KV200KV 放大倍数：放大倍数：25万倍万倍