掃描電鏡作為一種基礎(chǔ)顯微成像工具,因具有超高的放大能力,從而被高校、科研院所、材料研發(fā)和質(zhì)量分析部門廣泛用于研發(fā)、生產(chǎn)過程。
相比于光學(xué)放大器件,掃描電子顯微鏡使用電子束進(jìn)行成像,放大、分辨能力比光學(xué)顯微鏡有非常大的提升。
圖1 金相樣品光學(xué)顯微鏡圖像 (左) 和掃描電鏡圖像 (右)
景深是一種普適用于所有的光學(xué)成像儀器的概念。所謂景深,就是照片中清晰圖像的范圍,景深越大,我們看到的視野中清晰的范圍就越大,或稱景深分辨能力強(qiáng);反之,景深越?。\),視野范圍中能夠清晰的范圍越狹小,成像器材的景深分辨能力越弱(圖2)。
圖2 小景深和大景深
光學(xué)元件中,只有一個(gè)參數(shù)會(huì)直接影響景深分辨能力,那就是光束的收斂角的大或小。光束到達(dá)焦點(diǎn)后,收斂角越小,其得到的景深越深,例如在照相機(jī)中,光圈直徑的減小會(huì)直接將收斂角減小,景深則越深(如圖3)。
圖3 照相機(jī)中光圈對(duì)景深的影響示意圖
與光學(xué)顯微鏡相比,掃描電鏡的成像介質(zhì)(電子束)的匯聚性非常好,因此到達(dá)樣品表面的電子束收斂角通常非常小,因而電鏡的景深分辨能力往往比光學(xué)顯微鏡強(qiáng)(圖4)。
圖4 掃描電鏡 (右) 明顯比光學(xué)顯微鏡 (左) 具有更好的景深分辨能力
但是,我們也同樣需要明確,掃描電鏡的景深分辨能力并非無限大。在遇到一些極其特殊的樣品時(shí),比如幾乎垂直放置的多層膜材料(圖5),即使是掃描電鏡也難以表現(xiàn)其全部細(xì)節(jié)。因此,需要通過一些圖像處理手段,以更簡(jiǎn)單高效的方式就可以讓電鏡使用者直接得到大景深圖片。
圖5 近乎垂直放置的多層膜材料截面
首先,使用飛納電鏡的腳本開發(fā)工具寫一個(gè)自動(dòng)曝光程序,曝光一系列景深深度不同的圖像(圖6)。然后,使用 景深堆疊合成(Focus Stack Merging) 這一圖像處理技術(shù),再用圖像識(shí)別和處理手段將每張照片中清晰的部分提取出來,最終合成一張全部區(qū)域清晰(景深較大)的圖像(圖7)。
由于是使用圖像合成的方法進(jìn)行運(yùn)算合成,因此理論上使用這種方法可以獲得景深無限大的樣品圖像,或稱之為 超景深 圖像。
圖6 一組焦距不同的圖像堆疊 (Focus Stacking)
圖7 圖像景深合成 (Focus Merging) 前后效果比較
超景深圖像可以滿足大景深成像的應(yīng)用場(chǎng)景,比如金屬、水泥等材質(zhì)的拉伸斷口這類縱深較大的樣品成像及分析(圖8),獲得超景深圖像可以使研究人員輕松看到此類樣品的全部細(xì)節(jié)。
圖8 超景深使用場(chǎng)景 (左:復(fù)雜形狀截面;右:多種材料拉伸斷口)