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电子显微镜中的图像形成:光学传输理论

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图片来源: Bildagentur Zoonar GmbH / Shutterstock.com

传统上,当我们想到显微镜时,我们会想到光学显微镜 使用光成像的物体。在光学显微镜的最简单形式中,透镜用于聚焦通过目标标本传输的光源。这意味着当透镜在入射光中折射并将其会聚在新的位置时,形成的图像将比真实物体具有更大的放大倍率。 

更复杂的显微镜使用透镜和光学元件的组合来实现更大的放大倍率和更高的分辨率成像。设计显微镜时要格外小心,以减少可能导致图像模糊或失真的光学像差的数量。  

当光线散布在整个空间区域而不是聚焦在单个点上时,就会发生像差。所有镜头都表现出某种程度的非理想行为,但是根据缺陷,特定类型的像差可能会变得更加成问题。1 不规则程度还影响最终分辨率和显微镜可实现的有意义的放大倍数。

通常,不同种类的像差会影响仪器的分辨率极限,但即使是具有无缺陷透镜的完美光学显微镜也要遵守衍射极限。衍射极限是成像系统可以达到的最终分辨率,它定义了物体上两点之间的最小距离,该距离仍然可以视为不同的物体。 

由于衍射极限与入射光子的波长有关,因此要获得更高分辨率的显微图像,一种替代方法是使用UV或X射线辐射代替可见光。另一种选择是使用电子而不是光子使样品成像。

光学转移理论

与光子相比,电子的一个优势是电子质量更高,这意味着即使运动较慢的粒子也具有更短的波长。这导致较小的衍射极限,并且使用电子束获得更高的成像分辨率以及明显更高的放​​大倍率要容易得多。2  

虽然用于控制和聚焦电子束的物理光学系统是基于成形磁场而不是透明眼镜,但我们从可见光学系统中了解到的许多理论也可以应用于电子成像。

The transfer theory describes how an electromagnetic (or acoustic) wave moves through an object. In the context of optical transfer theory, this describes how the system handles the different spatial frequencies of the light. For example, the optical transfer theory can be used to explain how the final image displayed by a large projector on a wall will look in terms of resolution and 对比. 

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Any object will have an optical transfer function to describe its resolution and 对比 or modulation. Often objects will instead be characterized by their modulation transfer function instead of the full optical transfer function. 

仅通过获取其模量就可以从完整的光学传递函数中获得调制传递函数。4 但是,这确实会忽略光学版本中会出现的相位信息。这对于许多应用程序都是不必要的。 

对于电子

光学传递理论可以适用于电子束而不是光子。3 尽管能量的显着差异将影响最终图像的整体分辨率,但无论使用电子还是使用光子,对物体成像的许多物理原理都没有改变。当电子是带电粒子时,它们会互相排斥,从而改变电子束’s focus. 

除了分辨率,调制传递函数还经常尝试描述‘contrast’ of an imaging system. Typically, 对比 is defined as the difference in the irradiation values at two points in an image, or how light or dark different areas appear. However, the modulation transfer more accounts explicitly for the point spread function, which is a measure of how spread out an image of a single point object becomes.  

使用电子显微镜对物体成像的方法有很多,包括扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。两者之间的关键区别在于电子是从样品中散射并收集(SEM)还是通过样品(TEM)。这意味着图像形成过程以略有不同的方式发生。 

散射电子的行为类似于散射光5。在SEM中,放置检测器来捕获二次电子,通过与表面的非弹性碰撞而失去能量的电子,以及由于与样品的弹性碰撞而经历了能量损失的电子束中的反向散射电子。入射光束被光栅化在样品上以绘制出其结构形状。 

The modulation transfer function of the detector will contribute to the overall resolution and imaging 对比 of the instrument. TEM works similarly to an optical microscope, where the electrons are focused through a sample but then onto a fluorescent screen, which lights up when it is bombarded with electrons to produce an image that can be captured with a standard camera chip. 

电子显微镜在其他科学领域如何使用?

参考资料和进一步阅读

  1. Booth, M. J. (2014). Adaptive optical microscopy: the ongoing quest for a perfect image. Light: Science and 应用领域, 3, e165. //doi.org/10.1038/lsa.2014.46
  2. Koster,A。J.,&Klumperman,J。(2003)。细胞生物学中的电子显微镜:整合结构和功能。自然细胞生物学,6–10.
  3. Hanszen,K.J.(2018年)。电子显微镜的光学传递理论:基本原理和应用。成像和电子物理学进展(第207卷)。爱思唯尔公司 //doi.org/10.1016/bs.aiep.2018.04.001
  4. 威廉姆斯&Becklund,O.A。,(2002)。光学传递函数简介,SPIE Press
  5. 戴维森,&Germer,L.H。(1927)。镍单晶对电子的散射。自然,119,558–560.

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丽贝卡·英格尔(Rebecca Ingle)博士

撰写者

丽贝卡·英格尔(Rebecca Ingle)博士

丽贝卡·英格尔(Rebecca Ingle)博士是超快光谱学领域的研究人员,她专门研究X射线和光谱学,以精确跟踪光触发化学反应期间发生的情况。

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