掃描電鏡像差科普｜是什么在悄悄影響電鏡成像

我們?cè)谑褂闷胀ü鈱W(xué)透鏡時(shí)，把光作為介質(zhì)進(jìn)行成像，通過(guò)玻璃透鏡的折射偏轉(zhuǎn)把光匯聚成“一點(diǎn)"來(lái)聚焦成像。掃描電鏡使用的介質(zhì)不是光，而是電子。雖然介質(zhì)不同，但是與光學(xué)玻璃透鏡一樣，掃描電鏡也普遍存在像差問(wèn)題，而這些各種各樣的像差，正在背后悄悄地影響著電鏡成像。

下面我們來(lái)了解一下各種像差產(chǎn)生的原因，以及如何減少像差對(duì)成像的影響。

• 球 差

由于透鏡邊緣部位和中間部位的折射偏轉(zhuǎn)能力不同，導(dǎo)致各條射線不會(huì)匯聚到同一個(gè)點(diǎn)上，從而在高斯平面上得不到清晰的像點(diǎn)，而是一個(gè)模糊的彌散圓斑，這種現(xiàn)象稱為球差。如下圖所示：

理論證明，電磁透鏡的球差是不能消除的。有一些透射電鏡中使用了球差矯正器用于提高分辨率，而掃描電鏡上現(xiàn)在還沒(méi)有添加球差矯正器。但是掃描電鏡會(huì)通過(guò)減小孔徑角等其他措施來(lái)減小球差。

• 彗 差

由于物點(diǎn)在透鏡中心軸的軸外，使得電子束與軸線傾斜成一定角度，破壞透鏡的對(duì)稱性，從而產(chǎn)生另一種像差—彗差。彗差嚴(yán)重時(shí)，成像面（高斯面）上不會(huì)得到清晰的點(diǎn)，而是會(huì)形成像彗星一樣沿某一方向延伸的模糊圖像。如下圖所示：

在電鏡中，由于物點(diǎn)不會(huì)偏移很大，所以只要保證機(jī)械軸和光軸的合軸度較好，系統(tǒng)產(chǎn)生的彗差一般對(duì)成像的影響很小。

• 像 散

當(dāng)焦距處在過(guò)焦或者欠焦?fàn)顟B(tài)時(shí)，聚焦的束斑會(huì)呈現(xiàn) 90° 交錯(cuò)的橢圓形狀，雖然在正焦位置束斑形狀不是橢圓，但是會(huì)由于束斑過(guò)大而成像模糊，這種像差現(xiàn)象稱為—像散。如下圖（a）所示。

飛納電鏡中配備了消像散器，通過(guò)調(diào)節(jié) 8 個(gè)小線圈中的電流大小來(lái)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，用于矯正不對(duì)稱的橢圓形束斑，使得最終到達(dá)試樣表面的束斑稱為一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱、邊界清晰的理想圓斑。

• 色 差

當(dāng)設(shè)備電源電壓略有不穩(wěn)時(shí)，會(huì)使加速電壓產(chǎn)生波動(dòng)，從而影響發(fā)射電子的能量。電子的能量差異會(huì)導(dǎo)致電子束波長(zhǎng)不一致，所以不同能量的電子會(huì)沿著不同的軌跡聚焦，最終聚焦在不同的焦點(diǎn)上，出現(xiàn)成像模糊。這種像差現(xiàn)象稱為—色差。如圖所示。

產(chǎn)生色差的主要原因?yàn)楣╇婋妷翰环€(wěn)、電子發(fā)射位置不一致（燈絲原因）等。為了減小圖像色差，電源配備穩(wěn)壓器或者不間斷電源（UPS）還是有必要的。

以上就是常見(jiàn)的幾種像差，有一些無(wú)法消除，只能通過(guò)硬件改善，有一些是可以通過(guò)操作消除掉的。對(duì)于無(wú)法消除的，飛納電鏡已經(jīng)在硬件方便做到高精度的裝配，保證機(jī)械軸和光軸的合軸等等。對(duì)于可以消除，比如像散，飛納電鏡也配備了消除像散的操作頁(yè)面，使操作人員更方便地消除像散，改善成像。