拍照中的基本操作——放大倍數(shù)控制、聚焦和拍攝

 

前言

 

在實(shí)踐中，設(shè)定參數(shù)、移動(dòng)樣品并找到目標(biāo)位置后會(huì)進(jìn)行一系列操作，比如縮放、聚焦、亮度/對(duì)比度調(diào)節(jié)，然后選擇所需的速度拍攝圖片。本篇講解拍照操作中的基本操作：放大倍數(shù)設(shè)定、聚焦和拍攝速度的選擇。

 

1 放大倍數(shù)控制

 

1.1 定義

 

在掃描電鏡中，一端是電子束在樣品表面l范圍內(nèi)掃描，另一端是信號(hào)在顯示器上顯示寬度為L(zhǎng)的像，如圖1所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系。放大率或者放大倍數(shù)(Magnification)，被定義為像寬度L與物寬度ι的比值，即：M=L/ι

 

圖1 掃描電鏡的物和像的關(guān)系以及放大倍數(shù)的定義

 

1.2 實(shí)現(xiàn)

 

通常電鏡顯示器上圖像的寬度L是固定的，所以往往通過(guò)調(diào)節(jié)物的尺寸ι來(lái)改變放大倍數(shù)。ι越大，可以觀察到的范圍（即視場(chǎng)）越大，而放大倍數(shù)越小，這樣利于觀察樣品的全貌；尺寸ι越小，視場(chǎng)就越小，而放大倍數(shù)就越大，這樣利于觀察特征的細(xì)節(jié)。在掃描電鏡上實(shí)現(xiàn)起來(lái)也非常簡(jiǎn)單：使用掃描線圈控制掃描范圍的大小，偏轉(zhuǎn)的角度大則掃描范圍大，掃描范圍大則ι放大倍數(shù)小，反之亦然，如上圖左側(cè)所示。這樣掃描電鏡中可以非常便捷地實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào)，就像無(wú)級(jí)變速一樣便捷。

 

根據(jù)放大倍數(shù)的公式，增加L或降低ι，放大倍數(shù)理論上可以無(wú)限大。但是考慮樣品特征和掃描電鏡的分辨能力，ι存在下限。超出樣品細(xì)節(jié)特征和設(shè)備分辨能力，過(guò)大的放大倍數(shù)只能導(dǎo)致視場(chǎng)狹小且圖像模糊。下圖為電感內(nèi)部鐵硅鉻氧化物粉末的高倍圖像，右邊20萬(wàn)倍的圖像未必能帶來(lái)更多有用信息，環(huán)境因素帶來(lái)的干擾卻能被觀察到。

 

圖2 較高倍數(shù)下的圖像

 

再回看圖1，不僅在樣品上的掃描寬度跟圖像的顯示寬度存在放大倍數(shù)M的關(guān)系，在樣品上掃描的小格子ι_物和圖像上的小格子L_像（圖像像素）的大小上也存在放大倍數(shù)M的對(duì)應(yīng)，即：M=L_像/ ι_物。ι物也等于掃描步進(jìn)，為了與圖像的像素對(duì)應(yīng)，我們不妨將其定義為樣品像素。

 

當(dāng)L_像為100 μm時(shí)，放大倍數(shù)M和樣品上格子大小ι_物的關(guān)系見(jiàn)表1。

 

表1 放大倍數(shù)與樣品上掃描步進(jìn)的關(guān)系

 

由表1可見(jiàn)，隨著放大倍數(shù)的增加，掃描步進(jìn)急劇減小。在100萬(wàn)放大倍數(shù)下，掃描步進(jìn)已經(jīng)小于電鏡分辨率的極限（目前最好的商用掃描電鏡分辨率約為0.4 nm），必然會(huì)出現(xiàn)虛放大。所以，在很高的放大倍數(shù)下，掃描步進(jìn)急劇變小，受限于掃描電鏡分辨能力和樣品本身特征，圖像會(huì)變得模糊。

 

1.3 低倍率、大視場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)

 

在實(shí)際的掃描電鏡中，雖然也存在單掃描線圈的設(shè)置，大部分情況下掃描線圈為兩組：一組線圈使得電子束偏離光軸，另一組重新使得電子束返回光軸并穿過(guò)物鏡的匯合點(diǎn)P以減少像差，如圖3所示。

 

圖3 低倍率的一種實(shí)現(xiàn)方式

 

在高放大倍數(shù)時(shí)，掃描區(qū)域較小，電子束偏離光軸的角度也較小，電子束近乎平行于光軸方向入射到每個(gè)像素上。所以，最高放大倍數(shù)受制于電鏡的分辨率。較低的放大倍數(shù)除了易于尋找和定位樣品外，還具有更高的景深，更大的視場(chǎng)，能反映樣品的整體信息。然而，掃描電鏡在實(shí)現(xiàn)低倍數(shù)時(shí)存在一些需要克服的困難，有時(shí)很難達(dá)到很低的放大倍數(shù)。所以在一些電鏡中，為了實(shí)現(xiàn)較低的放大倍率，除高倍模式(High Mag Mod)外，還設(shè)置了專(zhuān)用的低倍模式(Low Mag Mod)。

 

為了防止圖像畸變，夾角γ被限制在很小的范圍，同時(shí)也限制了掃描的區(qū)域（在圖3中，如果γ_max是允許的最大角度，那么在工作距離為W1時(shí)，樣品上的最大掃描范圍是ι₁）。如果想增加掃描區(qū)域（即降低放大倍數(shù)），可以增加工作距離，在工作距離為W2時(shí)，樣品上的最大掃描范圍是ι₂；也可以只使一組掃描線圈工作，在工作距離為W2時(shí)，樣品上的最大掃描范圍是ι₃，明顯降低了放大倍數(shù)，增加了掃描范圍。放大倍數(shù)的靈活實(shí)現(xiàn)不僅能一覽無(wú)余，還能纖維畢露。

 

還有其他超低倍、大視場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)方式，比如調(diào)整光路（開(kāi)關(guān)一些透鏡，或改進(jìn)物鏡設(shè)計(jì)），還有軟硬件結(jié)合的方式（軟件控制樣品臺(tái)移動(dòng)，連續(xù)拍攝然后自動(dòng)拼接）。

 

2 聚焦操作

 

同光學(xué)會(huì)聚光線一樣，在掃描電鏡中使電子束會(huì)聚于一點(diǎn)的過(guò)程，稱(chēng)為聚焦。圖4為不同聚焦情況下的電鏡圖片，可見(jiàn)聚焦時(shí)WD也變化，聚焦時(shí)圖像最清楚。下邊讓我們?cè)敿?xì)介紹掃描電鏡聚焦實(shí)現(xiàn)、對(duì)圖像的影響以及工作距離的概念。

 

⑴ Capture

 

⑵ 聚焦演示

 

圖4 不同聚焦情況下圖像的變化

 

圖5所示，電子束被物鏡的電磁場(chǎng)以一定角度會(huì)聚，在樣品上形成一個(gè)焦斑。在掃描電鏡中通常使用工作距離代替焦距。工作距離（Working distance, WD），指物鏡下端到焦斑的距離。由于掃描電鏡成像時(shí)焦斑落在樣品表面，此時(shí)可將工作距離理解為樣品到物鏡下端的距離；或者反過(guò)來(lái)說(shuō)，當(dāng)工作距離等于樣品到物鏡下端的實(shí)際距離時(shí)，成像才是清楚的。如果工作距離跟實(shí)際距離不同，則成像不清晰。

 

圖5 掃描電鏡的聚焦和操作示意圖

 

由圖可見(jiàn)，僅在正焦情況下電子束作用在樣品上的焦斑最小，成像最清晰。在理想情況下，本像素的信息來(lái)自于本像素區(qū)域，若焦斑大于像素則臨近像素的信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)被計(jì)入本像素區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度，以此類(lèi)推，像素之間的信號(hào)會(huì)互相干擾。因此，在正焦?fàn)顟B(tài)下，若焦斑小于掃描步進(jìn)，沒(méi)有像素之間信號(hào)的干擾，成像清晰；在過(guò)焦和欠焦?fàn)顟B(tài)下，若焦斑遠(yuǎn)超掃描步進(jìn)，則會(huì)存在臨近間信號(hào)干擾，會(huì)導(dǎo)致成像模糊。

 

掃描電鏡的操作簡(jiǎn)單易學(xué)，尤其是聚焦操作與光鏡類(lèi)似，但其原理迥異。普通光鏡焦距固定，通過(guò)調(diào)節(jié)物鏡-樣品的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)聚焦，而掃描電鏡聚焦則是在樣品固定的情況下通過(guò)改變物鏡磁場(chǎng)（焦距變化）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖5所示，調(diào)焦時(shí)通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)或旋鈕調(diào)節(jié)物鏡線圈的電流來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度。電流越大，物鏡的磁場(chǎng)越強(qiáng)，其對(duì)電子束的會(huì)聚作用越強(qiáng)，電子束偏折程度越大，即焦距/工作距離越短。所以，通過(guò)對(duì)電流的調(diào)節(jié)可以非常方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)工作距離的調(diào)節(jié)并實(shí)現(xiàn)聚焦。這時(shí)，工作距離與物鏡到樣品的實(shí)際距離一致時(shí)，圖像最清晰。

 

聚焦決定了圖像的清晰和明銳情況，所以需要調(diào)節(jié)物鏡的線圈電流，通過(guò)觀察圖像清晰的情況來(lái)實(shí)現(xiàn)。若初始樣品處于過(guò)焦位置（強(qiáng)磁場(chǎng)，短工作距離），我們通過(guò)減弱電流，使磁場(chǎng)強(qiáng)度由強(qiáng)變?nèi)酰ぷ骶嚯x由小變大。而在樣品上的束斑尺寸由大變小再由小變大，圖像也隨之模糊-清晰-模糊地變化，來(lái)回調(diào)節(jié)則可以找到最適合的條件，使得樣品恰好正焦，圖片變得最清晰、明銳。

 

3 聚焦操作建議

 

聚焦是最基本的操作，似乎非常容易掌握，但是操作不當(dāng)也得不到清晰的圖像。對(duì)焦距的判斷，無(wú)論是光學(xué)還是電子光學(xué)，越是高倍率判斷得越準(zhǔn)確，所以拍照時(shí)可以先在稍高倍率下（比如是拍照倍數(shù)的2~3倍）聚焦，然后回到拍照倍數(shù)下進(jìn)行拍照。再比如在同一位置拍攝多張不同倍數(shù)的照片（在高倍率下不出現(xiàn)表面被污染的現(xiàn)象），可以從高倍率開(kāi)始拍攝以減少聚焦次數(shù)。

 

另外，電鏡都具備局部聚焦觀察功能（Reduced area或Reduced scan），通過(guò)一個(gè)縮小的觀察框觀察局部。使用這種功能也方便聚焦和調(diào)節(jié)像散，它有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是只觀察感興趣的區(qū)域并進(jìn)行聚焦操作，調(diào)節(jié)更精確；二是電子束被局限在觀察框內(nèi)，觀察時(shí)的電子束劑量接近拍照時(shí)的劑量，觀察的圖片跟拍照時(shí)的圖片亮度和對(duì)比度差別不大。

 

對(duì)于電子束敏感樣品，聚焦時(shí)還應(yīng)防止電子束損傷。放大操作和使用局部觀察都可能使局部的電子束劑量超過(guò)樣品的耐受范圍，或者使表面被污染。可就近在非目標(biāo)區(qū)域聚焦，后在目標(biāo)區(qū)域拍照。對(duì)于平面樣品，因?yàn)槿狈π蚊惨r度，聚焦和消像散可能存在困難，可以選擇有顯著落差的區(qū)域（如邊緣）甚至無(wú)關(guān)物（如掉落的灰塵）處聚焦，然后再聚焦平整處。

 

聚焦操作雖然簡(jiǎn)單，但是為了獲得更好的成像質(zhì)量，需要保障電鏡整體電子光學(xué)系統(tǒng)的良好工作，如合軸和消像散。工作距離對(duì)于成像和分析同樣重要，此外，為了達(dá)到合適的觀察效果，還需要設(shè)置參數(shù)，如加速電壓、束流和束斑，下一篇會(huì)敘及。

 

聚焦（必要時(shí)還需消像散）調(diào)節(jié)好以后，需要選擇拍攝模式和時(shí)間。

 

4 拍攝速度選擇

 

在進(jìn)行光柵掃描時(shí)電子束在每個(gè)像素點(diǎn)上停留的時(shí)間被稱(chēng)為駐留時(shí)間（Dwell time），通常在納秒到微秒量級(jí)。獲得一整幅電鏡圖片的時(shí)間稱(chēng)為掃描時(shí)間（Frame time），一般從幾秒到幾十秒（根據(jù)駐留時(shí)間和像素尺寸）。電子束駐留時(shí)間短，則收集信號(hào)少、信噪比差、圖片模糊，但掃描速度快、圖片采集時(shí)間短。如果駐留時(shí)間很長(zhǎng)（假設(shè)樣品也不變化），那么收集到的信號(hào)量就比較多，圖片信噪比會(huì)更好，但是整個(gè)圖片耗時(shí)長(zhǎng)、掃描速度慢。在電鏡軟件中可以通過(guò)改變這些時(shí)間或者選擇速度擋位。

 

圖像由信號(hào)和噪聲組成。信號(hào)與被掃描的物體特征相關(guān)，噪聲在本質(zhì)上是隨機(jī)的。因此，對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行多次掃描，那么恒定的信號(hào)被疊加，而隨機(jī)的噪聲則被部分抵消，這樣可以增強(qiáng)信號(hào)、抑制噪聲。除了設(shè)置掃描時(shí)間的長(zhǎng)短（掃描速度的快慢）外，電鏡還有幾種降噪模式：線積分/平均、幀積分/平均、隔行掃描、漂移校正模式等。

 

線積分掃描（Line Int），水平方向的信號(hào)快速疊加多次，然后再做垂直方向的掃描。多幀疊加或幀積分（Frame Int.），將多幀圖像疊加以消除噪聲。多幀疊加通常選擇快的幀速率和/或小的束流，可以有效避免慢的幀速率和/或高束流下電荷積累或電子束損傷而產(chǎn)生的假象，但是當(dāng)樣品不穩(wěn)定或漂移時(shí)則不適用。漂移矯正（Drift Comp. Frame. Int.），較之多幀疊加其優(yōu)勢(shì)在于智能算法，通過(guò)比較圖像來(lái)識(shí)別漂移再進(jìn)行疊加補(bǔ)償。這種方法對(duì)于存在樣品漂移、輕微荷電時(shí)的成像有較好作用。

 

圖6 幾種降噪掃描方式

 

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