扫描电镜作为一种基础显微成像工具,因具有超高的放大能力,从而被高校、科研院所、材料研发和质量分析部门广泛用于研发、生产过程。
相比于光学放大器件,扫描电子显微镜使用电子束进行成像,放大、分辨能力比光学显微镜有非常大的提升。
图1 金相样品光学显微镜图像 (左) 和扫描电镜图像 (右)
景深是一种普适用于所有的光学成像仪器的概念。所谓景深,就是照片中清晰图像的范围,景深越大,我们看到的视野中清晰的范围就越大,或称景深分辨能力强;反之,景深越小(浅),视野范围中能够清晰的范围越狭小,成像器材的景深分辨能力越弱(图2)。
图2 小景深和大景深
光学元件中,只有一个参数会直接影响景深分辨能力,那就是光束的收敛角的大或小。光束到达焦点后,收敛角越小,其得到的景深越深,例如在照相机中,光圈直径的减小会直接将收敛角减小,景深则越深(如图3)。
图3 照相机中光圈对景深的影响示意图
与光学显微镜相比,扫描电镜的成像介质(电子束)的汇聚性非常好,因此到达样品表面的电子束收敛角通常非常小,因而电镜的景深分辨能力往往比光学显微镜强(图4)。
图4 扫描电镜 (右) 明显比光学显微镜 (左) 具有更好的景深分辨能力
但是,我们也同样需要明确,扫描电镜的景深分辨能力并非无限大。在遇到一些极其特殊的样品时,比如几乎垂直放置的多层膜材料(图5),即使是扫描电镜也难以表现其全部细节。因此,需要通过一些图像处理手段,以更简单高效的方式就可以让电镜使用者直接得到大景深图片。
图5 近乎垂直放置的多层膜材料截面
首先,使用飞纳电镜的脚本开发工具写一个自动曝光程序,曝光一系列景深深度不同的图像(图6)。然后,使用 景深堆叠合成(Focus Stack Merging) 这一图像处理技术,再用图像识别和处理手段将每张照片中清晰的部分提取出来,最终合成一张全部区域清晰(景深较大)的图像(图7)。
由于是使用图像合成的方法进行运算合成,因此理论上使用这种方法可以获得景深无限大的样品图像,或称之为 超景深 图像。
图6 一组焦距不同的图像堆叠 (Focus Stacking)
图7 图像景深合成 (Focus Merging) 前后效果比较
超景深图像可以满足大景深成像的应用场景,比如金属、水泥等材质的拉伸断口这类纵深较大的样品成像及分析(图8),获得超景深图像可以使研究人员轻松看到此类样品的全部细节。
图8 超景深使用场景 (左:复杂形状截面;右:多种材料拉伸断口)