拍照中的基本操作——放大倍數控制、聚焦和拍攝

 

前言

 

在實踐中，設定參數、移動樣品并找到目標位置后會進行一系列操作，比如縮放、聚焦、亮度/對比度調節，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：放大倍數設定、聚焦和拍攝速度的選擇。

 

1 放大倍數控制

 

1.1 定義

 

在掃描電鏡中，一端是電子束在樣品表面l范圍內掃描，另一端是信號在顯示器上顯示寬度為L的像，如圖1所示的對應關系。放大率或者放大倍數(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系以及放大倍數的定義

 

1.2 實現

 

通常電鏡顯示器上圖像的寬度L是固定的，所以往往通過調節物的尺寸ι來改變放大倍數。ι越大，可以觀察到的范圍（即視場）越大，而放大倍數越小，這樣利于觀察樣品的全貌；尺寸ι越小，視場就越小，而放大倍數就越大，這樣利于觀察特征的細節。在掃描電鏡上實現起來也非常簡單：使用掃描線圈控制掃描范圍的大小，偏轉的角度大則掃描范圍大，掃描范圍大則ι放大倍數小，反之亦然，如上圖左側所示。這樣掃描電鏡中可以非常便捷地實現放大倍數連續可調，就像無級變速一樣便捷。

 

根據放大倍數的公式，增加L或降低ι，放大倍數理論上可以無限大。但是考慮樣品特征和掃描電鏡的分辨能力，ι存在下限。超出樣品細節特征和設備分辨能力，過大的放大倍數只能導致視場狹小且圖像模糊。下圖為電感內部鐵硅鉻氧化物粉末的高倍圖像，右邊20萬倍的圖像未必能帶來更多有用信息，環境因素帶來的干擾卻能被觀察到。

 

圖2 較高倍數下的圖像

 

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M的關系，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M的對應，即：M=L_像/ ι_物。ι物也等于掃描步進，為了與圖像的像素對應，我們不妨將其定義為樣品像素。

 

當L_像為100 μm時，放大倍數M和樣品上格子大小ι_物的關系見表1。

 

表1 放大倍數與樣品上掃描步進的關系

 

由表1可見，隨著放大倍數的增加，掃描步進急劇減小。在100萬放大倍數下，掃描步進已經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），必然會出現虛放大。所以，在很高的放大倍數下，掃描步進急劇變小，受限于掃描電鏡分辨能力和樣品本身特征，圖像會變得模糊。

 

1.3 低倍率、大視場的實現

 

在實際的掃描電鏡中，雖然也存在單掃描線圈的設置，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物鏡的匯合點P以減少像差，如圖3所示。

 

圖3 低倍率的一種實現方式

 

在高放大倍數時，掃描區域較小，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像素上。所以，最高放大倍數受制于電鏡的分辨率。較低的放大倍數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，能反映樣品的整體信息。然而，掃描電鏡在實現低倍數時存在一些需要克服的困難，有時很難達到很低的放大倍數。所以在一些電鏡中，為了實現較低的放大倍率，除高倍模式(High Mag Mod)外，還設置了專用的低倍模式(Low Mag Mod)。

 

為了防止圖像畸變，夾角γ被限制在很小的范圍，同時也限制了掃描的區域（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，樣品上的最大掃描范圍是ι₁）。如果想增加掃描區域（即降低放大倍數），可以增加工作距離，在工作距離為W2時，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，樣品上的最大掃描范圍是ι₃，明顯降低了放大倍數，增加了掃描范圍。放大倍數的靈活實現不僅能一覽無余，還能纖維畢露。

 

還有其他超低倍、大視場的實現方式，比如調整光路（開關一些透鏡，或改進物鏡設計），還有軟硬件結合的方式（軟件控制樣品臺移動，連續拍攝然后自動拼接）。

 

2 聚焦操作

 

同光學會聚光線一樣，在掃描電鏡中使電子束會聚于一點的過程，稱為聚焦。圖4為不同聚焦情況下的電鏡圖片，可見聚焦時WD也變化，聚焦時圖像最清楚。下邊讓我們詳細介紹掃描電鏡聚焦實現、對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以一定角度會聚，在樣品上形成一個焦斑。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焦斑落在樣品表面，此時可將工作距離理解為樣品到物鏡下端的距離；或者反過來說，當工作距離等于樣品到物鏡下端的實際距離時，成像才是清楚的。如果工作距離跟實際距離不同，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，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，本像素的信息來自于本像素區域，若焦斑大于像素則臨近像素的信號強度也會被計入本像素區域的信號強度，以此類推，像素之間的信號會互相干擾。因此，在正焦狀態下，若焦斑小于掃描步進，沒有像素之間信號的干擾，成像清晰；在過焦和欠焦狀態下，若焦斑遠超掃描步進，則會存在臨近間信號干擾，會導致成像模糊。

 

掃描電鏡的操作簡單易學，尤其是聚焦操作與光鏡類似，但其原理迥異。普通光鏡焦距固定，通過調節物鏡-樣品的位置來實現聚焦，而掃描電鏡聚焦則是在樣品固定的情況下通過改變物鏡磁場（焦距變化）來實現的。如圖5所示，調焦時通過鼠標、鍵盤或旋鈕調節物鏡線圈的電流來改變磁場強度。電流越大，物鏡的磁場越強，其對電子束的會聚作用越強，電子束偏折程度越大，即焦距/工作距離越短。所以，通過對電流的調節可以非常方便地實現對工作距離的調節并實現聚焦。這時，工作距離與物鏡到樣品的實際距離一致時，圖像最清晰。

 

聚焦決定了圖像的清晰和明銳情況，所以需要調節物鏡的線圈電流，通過觀察圖像清晰的情況來實現。若初始樣品處于過焦位置（強磁場，短工作距離），我們通過減弱電流，使磁場強度由強變弱，工作距離由小變大。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，來回調節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，但是操作不當也得不到清晰的圖像。對焦距的判斷，無論是光學還是電子光學，越是高倍率判斷得越準確，所以拍照時可以先在稍高倍率下（比如是拍照倍數的2~3倍）聚焦，然后回到拍照倍數下進行拍照。再比如在同一位置拍攝多張不同倍數的照片（在高倍率下不出現表面被污染的現象），可以從高倍率開始拍攝以減少聚焦次數。

 

另外，電鏡都具備局部聚焦觀察功能（Reduced area或Reduced scan），通過一個縮小的觀察框觀察局部。使用這種功能也方便聚焦和調節像散，它有兩個優點：一是只觀察感興趣的區域并進行聚焦操作，調節更精確；二是電子束被局限在觀察框內，觀察時的電子束劑量接近拍照時的劑量，觀察的圖片跟拍照時的圖片亮度和對比度差別不大。

 

對于電子束敏感樣品，聚焦時還應防止電子束損傷。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樣品的耐受范圍，或者使表面被污染。可就近在非目標區域聚焦，后在目標區域拍照。對于平面樣品，因為缺乏形貌襯度，聚焦和消像散可能存在困難，可以選擇有顯著落差的區域（如邊緣）甚至無關物（如掉落的灰塵）處聚焦，然后再聚焦平整處。

 

聚焦操作雖然簡單，但是為了獲得更好的成像質量，需要保障電鏡整體電子光學系統的良好工作，如合軸和消像散。工作距離對于成像和分析同樣重要，此外，為了達到合適的觀察效果，還需要設置參數，如加速電壓、束流和束斑，下一篇會敘及。

 

聚焦（必要時還需消像散）調節好以后，需要選擇拍攝模式和時間。

 

4 拍攝速度選擇

 

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

 

圖像由信號和噪聲組成。信號與被掃描的物體特征相關，噪聲在本質上是隨機的。因此，對同一區域進行多次掃描，那么恒定的信號被疊加，而隨機的噪聲則被部分抵消，這樣可以增強信號、抑制噪聲。除了設置掃描時間的長短（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生的假象，但是當樣品不穩定或漂移時則不適用。漂移矯正（Drift Comp. Frame. Int.），較之多幀疊加其優勢在于智能算法，通過比較圖像來識別漂移再進行疊加補償。這種方法對于存在樣品漂移、輕微荷電時的成像有較好作用。

 

圖6 幾種降噪掃描方式

 

參考文獻

 

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