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什麼是景深?如何優化電子顯微鏡SEM的景深?

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電子顯微鏡SEM用途之一是用來拍攝樣品細部的特徵,那為何不和攝影一起做比較呢?讓我們一起來分析SEM和相機在聚焦物品的相似之處,以及景深精確的定義是什麼。

景深是什麼?

當拍照時,目標物體應該始終處於對焦狀態,盡可能表現清晰。以藝術觀點來說,無聲的吸引觀察者的注意。實際上,它在對焦的區域上顯示了更多的細節。

但是目標物體有多少比例是真正處於對焦的狀態,而這一部分如何控制呢?對焦狀態的圖像始終處於一個平面,也就是說我們只能對完美的平面進行拍攝。幸運的是,它只要”足夠接近”對焦平面,我們的大腦可以處理稍微失焦的部分,而這部分我們稱之為景深。

有很多因素會影響景深,調整這些參數後,影像包含的細部表徵變得較多或較少。光圈尺寸和聚焦設備(攝影鏡頭和電子顯微鏡的電子槍)扮演了重要角色。

拍攝的目標和成像設備的距離也是關鍵的一環。一般來說,當物體離的很遠時,景深會增加,使更多的物體變得足夠清晰,讓大腦能夠去區分處理它們。

當物體離的很近時,景深會劇減,而銳利程度或分辨率會提升,能夠看到物體太遠時無法觀察到的細節。(如下圖一)

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圖一(左)花朵近距離特寫-當近距離拍攝時,周圍背景為模糊的;(右)風景圖片-距離拉遠,景深從幾公分至好幾公里。

                                     兩張相片皆是同樣的光圈和鏡頭拍攝。

 

電子顯微鏡聚焦的工作原理

在電子顯微鏡中,焦點是入射電子束圓錐直徑最小的尺寸,燈絲發射電子束、電子槍内的透鏡及最末端的光圈,決定最小電子束尺寸。

當電子束直徑越接近最小值,分辨率將被提高。最小值通常是在特定、最佳的工作距離下獲得的-工作距離即物鏡極靴與樣品之間的距離。工作距離過短或太長時,電子束直徑的最小值將會變大。此時,將不能獲得最好的分辨率。不過在這些情況下,仍然可以對焦。

電子束直徑在最小值所對應的水平面即為焦平面。 當電子束聚焦時,處於焦平面的所有細部特徵都將非常清晰。 調整焦距意味著更改此平面的高度。在此平面上方或下方的所有特徵將逐漸變得越來越模糊,直至無法辨識。

 

工作距離如何影響景深

總結剛剛所討論的:景深是指工作距離的一段範圍,在此範圍內,影像的清晰度可被接受。而最佳的工作距離在對焦時焦呈現最好的分辨率。

然而,有些情況下分辨率變得不那麼重要,而景深對觀測結果則具有較大的影響-舉例來說,當觀察較高樣品時。

觀察昆蟲時,能區分所有特徵,例如腳和頭頂,是很重要的關鍵。觀察電子連接同樣如此,在一張圖中可以同時清楚看到整個電線和兩端接觸點,對於樣品有全面的了解。

對於這些情況,較長的工作距離-同時盡可能最佳-能幫助獲得更好的景深及觀測到圖像更多細節。

圖二幫助闡明工作距離的作用原理。 將樣品放置在更靠近極靴的位置時,電子束的角度會更大。這意味著偏離焦平面將導致電子束直徑持續增加,圖像將會明顯模糊。

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圖2:電子槍、電子束和焦平示意圖。當工作距離較長時(a),角度α較小,遠離焦平面不會使圖像明顯模糊。當縮短工作距離時,角度β會變大,

         遠離焦平面使電子束的直徑增加,因此圖像模糊。另一方面,焦平面上的電子束直徑更小,提供更好的分辨率。

 

另一方面,當樣品距離在離電子槍很遠的位置,電子束角度比較小,焦平面的偏差角度所引起的電子束直徑變化也較小。因此,可以清晰觀察到不同高度所呈現的特徵。

電子顯微鏡(SEM)的景深可以從幾微米增加到幾毫米,藉由調整景深得到更好的分析結果和影像品質。選擇適合的工作距離就像樣品前製備一樣重要。例如,鍍金機將樣品鍍金,可以讓有機樣品們增加更多背閃射電子產率。

 

 

作者介紹

Luigi Raspolini

Luigi Raspolini是Thermo Fisher Scientific Phenom 桌上型電子顯微鏡SEM的應用工程師。Luigi一直在探索新的材料表徵,表面粗糙度測量和成分分析的方式。他熱衷於提升用戶體驗,並提供每種樣本進行成像的最佳方法。

 

原文網址: https://blog.phenom-world.com/depth-of-field-on-a-scanning-electron-microscope

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