电子光学基础
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现代材料分析方法第七章电子光学基础
现代材料分析方法第七章电 子光学基础
目录
• 电子光学基础概述 • 电子光学基础理论 • 电子光学实验技术 • 现代材料分析中的电子光学应用 • 电子光学的发展前景与挑战
01
电子光学基础概述
电子光学的基本概念
电子光学是研究电子在电磁场中的运 动和电磁场对电子运动的反作用的科 学。
电子光学的基本原理包括电子波动性、 电磁场对电子运动的洛伦兹力作用等。
电子光学在新能源领域的应用
太阳能电池
电子光学在太阳能电池的设计和优化中发挥着重要作用，如通过 光学干涉和衍射提高太阳能电池的光电转换效率。
光电探测器
光电探测器是新能源领域的重要器件，电子光学为其设计和优化提 供了理论基础和技术支持。
风力发电机叶片检测
电子光学技术可用于风力发电机叶片的检测和监测，通过无损检测 手段确保叶片的可靠性和安全性。
透射电子显微镜技术
透射电子显微镜的基本原理
利用高能电子束穿透薄样品，通过电磁透镜成像。通过改变 透镜的焦距和电流强度，可以得到不同放大倍数的图像。
透射电子显微镜的应用
在生物学、医学、环境科学等领域广泛应用，用于观察细胞 、蛋白质、病毒等超微结构，以及研究环境污染物对生物体 的影响等。
04
现代材料分析中的电子光学 应用
它涉及到电子波的传播、散射、干涉、 衍射等现象，以及电子与物质的相互 作用。
电子光学的发展历程
19世纪末，汤姆逊和洛伦兹等科学家开始研究电 子在电磁场中的运动，奠定了电子光学的基础。
20世纪初，量子力学的出现和发展，为电子光学 提供了更深入的理论基础。
现代电子光学的发展，得益于电子显微镜、扫描 隧道显微镜等先进仪器的出现和应用。
02
电子光学基础理论
目录
• 电子光学基础概述 • 电子光学基础理论 • 电子光学实验技术 • 现代材料分析中的电子光学应用 • 电子光学的发展前景与挑战
01
电子光学基础概述
电子光学的基本概念
电子光学是研究电子在电磁场中的运 动和电磁场对电子运动的反作用的科 学。
电子光学的基本原理包括电子波动性、 电磁场对电子运动的洛伦兹力作用等。
电子光学在新能源领域的应用
太阳能电池
电子光学在太阳能电池的设计和优化中发挥着重要作用，如通过 光学干涉和衍射提高太阳能电池的光电转换效率。
光电探测器
光电探测器是新能源领域的重要器件，电子光学为其设计和优化提 供了理论基础和技术支持。
风力发电机叶片检测
电子光学技术可用于风力发电机叶片的检测和监测，通过无损检测 手段确保叶片的可靠性和安全性。
透射电子显微镜技术
透射电子显微镜的基本原理
利用高能电子束穿透薄样品，通过电磁透镜成像。通过改变 透镜的焦距和电流强度，可以得到不同放大倍数的图像。
透射电子显微镜的应用
在生物学、医学、环境科学等领域广泛应用，用于观察细胞 、蛋白质、病毒等超微结构，以及研究环境污染物对生物体 的影响等。
04
现代材料分析中的电子光学 应用
它涉及到电子波的传播、散射、干涉、 衍射等现象，以及电子与物质的相互 作用。
电子光学的发展历程
19世纪末，汤姆逊和洛伦兹等科学家开始研究电 子在电磁场中的运动，奠定了电子光学的基础。
20世纪初，量子力学的出现和发展，为电子光学 提供了更深入的理论基础。
现代电子光学的发展，得益于电子显微镜、扫描 隧道显微镜等先进仪器的出现和应用。
02
电子光学基础理论
光电子技术基础
光电子技术基础•光电子技术概述•光源与光辐射•光电探测器与光电转换目录•光学系统与光路设计•光电子器件与工艺•光电子技术应用实例光电子技术概述01CATALOGUE光电子技术的定义与发展光电子技术的定义光电子技术是研究光与电子相互作用及其应用的科学领域，涉及光的产生、传输、调制、检测和处理等方面。
光电子技术的发展历程自20世纪初爱因斯坦提出光电效应以来，光电子技术经历了从基础研究到应用研究的逐步发展，现已成为现代科技领域的重要分支。
光电子技术在通信领域的应用主要包括光纤通信、无线通信和卫星通信等，实现了高速、大容量的数据传输。
通信领域光电子技术在显示技术方面的应用如液晶显示、有机发光显示等，为现代电子产品提供了丰富多彩的视觉体验。
显示技术光电子技术在太阳能利用、光伏发电等领域的应用，为可再生能源的开发和利用提供了技术支持。
能源领域光电子技术在生物医学领域的应用如光学成像、光动力疗法等，为疾病的诊断和治疗提供了新的手段。
生物医学随着微电子技术的发展，光电子器件将越来越微型化、集成化，实现更高的性能和更小的体积。
微型化与集成化人工智能和自动化技术的引入将进一步提高光电子系统的智能化水平，实现更高效的运行和管理。
智能化与自动化环保意识的提高将推动光电子技术向更环保的方向发展，如开发低能耗、无污染的光电子器件和系统等。
绿色环保光电子技术与材料科学、生物医学等学科的融合将产生更多的交叉学科和创新应用。
跨学科融合光源与光辐射02CATALOGUE利用物体加热到高温后产生的热辐射发光，如白炽灯、卤钨灯等。
具有连续光谱、色温低、显色性好等特点。
热辐射光源利用气体放电时产生的可见光辐射发光，如荧光灯、高压汞灯等。
具有高效、节能、长寿命等优点。
气体放电光源利用固体发光材料在电场或光场激发下产生的发光现象，如LED 、OLED 等。
具有节能环保、响应速度快、可调控性强等特点。
固体发光光源光源的种类与特性表示光源发出的总光能量，单位是流明（lm ）。
光电子技术(基础光学知识)
• 电磁场理论认为，光实际上是一定频率范围内的电磁波，电 磁波的传播实际上就是将变化的电磁场进行的传播。若在空间 某区域有变化电场E (或变化磁场H)，那么将在邻近区域引起 磁场H的变化 (或电场E的变化），这种变化的电场和磁场相互 激发、相互感生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电 磁波。 • 与此相关的电磁场的基本性质如下：
真空中电磁波的波长λ与频率υ的关系为
•பைடு நூலகம்
λ= c/υ
（2.2）
•真空中电磁波的传播速度c ≈ 3. 0 ×108m/s为常量，所以频率不同的电磁波在真
空中具有不同的波长。频率愈高，对应的波长就越短。按照电磁波频率或波长的
顺序可以排列起一电磁波谱图，如图2.1所示。
图2.1电磁波及可见光波长分布
表2.1列出了电磁波段的详细划分及用途,这里涵盖了目前已经发现并得到广泛利用 的不同波长的各类电磁波，这里有波长达104m以上的，也有波长短到10-5 nm以下 的。下面对各种不同性质的电磁波分别作简单的介绍。
•
•c =
(2.1)
•式中：ε0为真空中的介电常数；μ0为真空中的磁导率。
•在国际单位制中，指定μ0 = 4π×10-7 H/m，由精密测定ε0=8. 854 ×10-12 F/m， 推算得c ≈ 3. 0 ×108m/s。
• 电磁波的波谱范围很广，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、Ｘ射线和
Y射线等。这些电磁波从波动特性的角度，本质上完全相同，只是波长不同而已。
无线电波我们无法用肉眼直接看见，而我们所讨论的可见光
却是我们睁开眼睛就能见到的。可见光其实也是电磁波，但只 占整个电磁波谱中很小的一部分，只有波长范围在400 ~ 760 nm之间的电磁波能使人眼产生光的感觉。有意思的是不同波 长的电磁波对人眼中所呈现的效果是各不相同，随着波长的缩 短，呈现的感官效果，也可称为“颜色”依次为红、橙、黄、绿 、青、蓝、紫。我们日常感受到的白光则是各种颜色的可见光 的混合，也即是400 ~ 760 nm之间的电磁波的混合。
真空中电磁波的波长λ与频率υ的关系为
•பைடு நூலகம்
λ= c/υ
（2.2）
•真空中电磁波的传播速度c ≈ 3. 0 ×108m/s为常量，所以频率不同的电磁波在真
空中具有不同的波长。频率愈高，对应的波长就越短。按照电磁波频率或波长的
顺序可以排列起一电磁波谱图，如图2.1所示。
图2.1电磁波及可见光波长分布
表2.1列出了电磁波段的详细划分及用途,这里涵盖了目前已经发现并得到广泛利用 的不同波长的各类电磁波，这里有波长达104m以上的，也有波长短到10-5 nm以下 的。下面对各种不同性质的电磁波分别作简单的介绍。
•
•c =
(2.1)
•式中：ε0为真空中的介电常数；μ0为真空中的磁导率。
•在国际单位制中，指定μ0 = 4π×10-7 H/m，由精密测定ε0=8. 854 ×10-12 F/m， 推算得c ≈ 3. 0 ×108m/s。
• 电磁波的波谱范围很广，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、Ｘ射线和
Y射线等。这些电磁波从波动特性的角度，本质上完全相同，只是波长不同而已。
无线电波我们无法用肉眼直接看见，而我们所讨论的可见光
却是我们睁开眼睛就能见到的。可见光其实也是电磁波，但只 占整个电磁波谱中很小的一部分，只有波长范围在400 ~ 760 nm之间的电磁波能使人眼产生光的感觉。有意思的是不同波 长的电磁波对人眼中所呈现的效果是各不相同，随着波长的缩 短，呈现的感官效果，也可称为“颜色”依次为红、橙、黄、绿 、青、蓝、紫。我们日常感受到的白光则是各种颜色的可见光 的混合，也即是400 ~ 760 nm之间的电磁波的混合。
第四章 电子显微镜分析基础
极靴小孔隙中。如图19.6(a)、(b)、(c)所示，(c)是一种强
磁透镜。由于透镜焦距与所采用的磁场相关 磁场越强 焦 距越短 放大倍数也就越大 电子显微镜的成像物镜大多采 用短焦距的强磁透镜
强磁透镜
2.3 电磁透镜的像差、分辨本领、景深和焦长
ro
2
理论上 电子显微镜的分辨率很高 但事实上 其分辨率远
2.4 电子显微镜与光学显微镜的对比 电子显微镜在分辨本领、放大倍数、景深、焦长等 许多方面有着明显的优点 它能把微区（几个微米）、
甚至超微区（10nm以下）把形貌、成分、结构三个主
要测试方面的内容密切结合起来进行研究
电子显微镜的发明及发展开拓了许多新的研究领
域 但电子显微镜也有一些局限性 需要光学显微镜和
第4章
电子显微镜分析基础
一、光学显微镜的分辨率
人眼分辨极限只有0.2mm 光学显微镜的分辨极限是
0.1μm 电子显微镜的分辨率普遍达到0.3nm 最好的电
子显微镜的分辨率已经达到0.07nm 一般原子、离子半
径大约在0.1nm左右
在电子显微镜下可以直接观察到分子 甚至原子的世界 这
个分辨能力比人眼高出了近100万倍 比最好的光学显微
2.3.2电磁透镜的分辨本领 分辨本领取决于透镜的像差和衍射效应所产生的 散焦斑（或称埃利斑）尺寸的大小 光学显微镜在最佳 情况下 分辨本领可以达到照明光波波长的二分之一 电子束波长比可见光波长小五个数量级 如果电磁透镜 像差（特别是球差）能得到较好的矫正 那么它的分辨 本领理应达到照明波的半波长0.002nm极限值（按加速
1 eV m 2 2
式中 e为电子电荷绝对值 V为加速电压(kV) ν为电子运动速 度 m为电子的质量 从上式可以得到电子运动的速率为：
电子行业电子光学基础
电子行业电子光学基础概述电子光学是电子行业中的一个重要分支，它研究的是电子在光学系统中的行为和特性。
光学技术在电子行业的许多领域中起着至关重要的作用，例如光通信、显示器件、光电子器件等。
本文将介绍电子行业中电子光学的基础知识。
光学基础光学是研究光的传播、发射与接收以及与物质的相互作用的科学。
光是电磁波的一种，它有波粒二象性。
光学研究主要涉及以下几个方面：光的特性包括波长、频率、速度和能量等。
光的波长决定了其在介质中的传播速度和折射率，而频率则对应着光的色彩。
光的速度在真空中是一个常量，约为3 × 10^8 m/s。
光的传播与折射当光从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。
折射现象是由于光在不同介质中传播速度的改变而引起的。
根据折射定律，光线在两种介质中的传播方向会发生改变。
光的反射与折射光在与界面接触时会发生反射与折射。
根据反射定律，入射光线与法线的夹角等于反射光线与法线的夹角。
折射光线的偏折程度则由折射率决定。
不同波长的光在介质中传播时会发生不同程度的折射，这称为色散现象。
色散使得不同颜色的光在经过透镜或棱镜等光学器件时产生色差。
电子光学在电子行业中的应用光通信光通信是一种利用光的传输信息的技术。
它使用光纤作为传输介质，通过调制和解调的方法实现信息的传输和接收。
光通信具有传输速度快、传输距离远、抗干扰能力强等优点，因此在电子行业中得到广泛应用。
电子光学在显示器件中的应用非常广泛。
例如，在液晶显示器中，背光模块使用光学器件提供光源，而液晶屏使用光学装置调节光的透过程度，从而实现图像的显示。
光电子器件光电子器件是利用光与电子的相互作用实现功能的器件。
例如，光电二极管（Photodiode）是一种能将光信号转换为电信号的器件。
光电子器件在光电子技术、光电波导技术等领域中具有广泛的应用。
结论电子光学是电子行业中的重要领域，它研究光的传播与作用在电子系统中的应用。
了解电子光学的基础知识对于理解电子行业中的光学技术具有重要意义。
光电子学基础及其在信息科学中的应用
光电子学基础及其在信息科学中的应用光电子学是一门研究光与电相互作用以及在半导体、光纤、光电器件等领域中应用的学科。
在信息科学中，光电子学的应用越来越广泛，例如光纤通信、激光印刷、光学存储等等。
本文将从基础方面介绍光电子学的涉及内容，并探讨其在信息科学中的应用。
1. 光的性质光的基本性质是电磁波，具有电场和磁场的特性。
其中电场是与光传播方向相垂直的振荡性质，磁场也遵循相同的规律。
光的波长决定了它在介质中的速度，光在真空中的速度是光速，约为3×10^8 m/s。
2. 半导体物理半导体在光电子学中起着核心作用。
它是指在晶体中，某些能级缺失电子（空穴）或多余电子（自由电子），可以带电的固体物质。
半导体材料的最优字段是红外区域，从而实现高响应、大量产和低成本的光电器件。
3. 光电器件光电器件是指那些具有光电转换功能的器件。
常见的光电器件有光电二极管和光敏电阻。
光电二极管是利用半导体材料进行光电转换，将光信号转化成电信号；光敏电阻则是根据光的强度对电阻进行调节。
4. 光纤通信光纤通信是将信号转换成光信号进行传输的通信方式。
在光纤通信中，信息通过激光器转换成光信号，再通过光纤进行传输，通过光电探测器转换回电信号，接收端再将其转换为原始信息。
相比其他通信方式，光纤通信的传输速度更快、距离更远、更稳定。
5. 激光印刷激光印刷是一种通过通过激光器制作模板来给物体表面直接刻画的印刷。
激光印刷可以制造精细图案或文字，并且可以在许多材料上使用，例如金属、塑料和玻璃。
激光印刷取代了传统的印刷方式，更加灵活和高效。
6. 光学存储光学存储是一种利用光记录信息并在之后读取的存储方式。
在光学存储中，光通过激光器发送到介质上，然后烧录或烤制物质以记录信息。
读取时，激光通过介质并检测跟踪光信号。
总之，光电子学在信息科学中的应用日趋广泛。
它在通信、印刷、存储和其他领域都有着重要的作用。
我们期望光电子学在未来得到更广泛的应用，为人们带来更多的便利。
电子光学基础
胡克显微镜
现代普通光学显微镜
电子光学基础
1、引言
光学显微镜就是利用可见光作为照明源的一种显微镜，极限分
辨率为200nm，比人眼的分辨本领提高了约1000倍，但仍难以
满足许多微观分析的要求。
（徕卡）Leica DM系列金相显微镜
双目倒置金相显微镜
电子光学基础
1、引言
1932年德国物理学家Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜 随着电子技术的发展，高分辨电子显微镜的发明将分辨率提高到原子
电子光学基础
2、电子波与电磁透镜
(2) 电子波波长
不同加速电压下的电子波波长
加速电压 U/kV 20 电子波长 λ/nm 0.00859 加速电压 U/kV 120 电子波长 λ/nm 0.00334
40
60 80 100
0.00601
0.00487 0.00418 0.00371
160
200 500 1000
(iii) 电磁透镜与光学透镜异同 电磁透镜成像时满足光学透镜成像基本公式，即物距u、像 距v和焦距 f 满足下式： 1 1 1 f u v 对于电磁透镜，其焦距 f 是可以改变的，f 常用近似公式为：
f K
IN 2
Ur
放大倍数：
f M u f
式中K为常数；Ur是经相对论校正的电子加速电压；IN是线 圈的安匝数。 改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜焦距。且电磁透镜焦 距 f 总为正值，表明电磁透镜只有凸透镜，不存在凹透镜。
1 2 mv eU 2
即
2eU v m
e为电子所带电荷，e = -1.6×10-19C。
电子光学基础
2、电子波与电磁透镜
(2) 电子波波长
电子光学基础
领也急剧地下降。
由球差和衍射所决定的电磁
透镜的分辨本领r对孔径半 角α的依赖性
23
❖像散
像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起。 如果电磁透镜在制造过程中已经存在固有的像散，则可以通过引 入一个强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿，这个能产生 矫正磁场的装置称为消像散器。
24
❖色差
是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。
略了。
19
像差：球差、像散、色差等，其中，球差 是限制电子透镜分辨本领最主要的 因素。
球差：用球差散射圆斑半径Rs和纵向球差 ΔZs两个参量来衡量。
Rs：指在傍轴电子束形成的像平面(也 称高斯像平面)上的散射圆斑的半径。 ΔZs：
是指傍轴电子束形成的像点和远轴 电子束形成的像点间的纵向偏离距离。
20
18
值得 注意
透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以
外，还与透镜的像差有关。
光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组
合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响
远远小于衍射效应的影响;
光学与电子透 镜的区别
但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所
以至今还没有找到一种能矫正像差的办法。这
样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽
现代电子显微镜用磁透镜替 代！！！
11
❖磁透镜及电子在磁场中的运动
电磁透镜的聚焦原理: 通电的短线圈就是一个简单的电磁透镜，它 能造成一种轴对称不均匀分布的磁场。穿过 线圈的电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近 轴运动。而一束平行于主轴的入射电子通过 电磁透镜时将被聚焦在主轴的某一点
12
带有铁壳以及极靴的电磁透镜及磁场分布示意图
出的电子
强度关系
由球差和衍射所决定的电磁
透镜的分辨本领r对孔径半 角α的依赖性
23
❖像散
像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起。 如果电磁透镜在制造过程中已经存在固有的像散，则可以通过引 入一个强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿，这个能产生 矫正磁场的装置称为消像散器。
24
❖色差
是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。
略了。
19
像差：球差、像散、色差等，其中，球差 是限制电子透镜分辨本领最主要的 因素。
球差：用球差散射圆斑半径Rs和纵向球差 ΔZs两个参量来衡量。
Rs：指在傍轴电子束形成的像平面(也 称高斯像平面)上的散射圆斑的半径。 ΔZs：
是指傍轴电子束形成的像点和远轴 电子束形成的像点间的纵向偏离距离。
20
18
值得 注意
透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以
外，还与透镜的像差有关。
光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组
合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响
远远小于衍射效应的影响;
光学与电子透 镜的区别
但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所
以至今还没有找到一种能矫正像差的办法。这
样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽
现代电子显微镜用磁透镜替 代！！！
11
❖磁透镜及电子在磁场中的运动
电磁透镜的聚焦原理: 通电的短线圈就是一个简单的电磁透镜，它 能造成一种轴对称不均匀分布的磁场。穿过 线圈的电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近 轴运动。而一束平行于主轴的入射电子通过 电磁透镜时将被聚焦在主轴的某一点
12
带有铁壳以及极靴的电磁透镜及磁场分布示意图
出的电子
强度关系
通信光电子基础第三讲光学谐振腔
小结
• 激光器的特性：单色性好，方向性强，相干性好， 强度高。
• 形成激光的三个要素：激光介质，光学谐振腔， 泵浦源。
• 闭腔变为开腔，大大减少谐振模式。 • Q因子描述谐振腔损耗特性。 • 珐布里－珀罗标准具是激光谐振腔的原始形式。 • 光学谐振腔中稳定传输的模式－空间高斯光束。
• 光学谐振腔中存在的电磁场模式可描述成厄密-高斯 (Hermite-Gaussian) 方程的解：
模式控制可进一步通过放大介质的工作频率范围来实现， 即原子介质仅在有限频率范围内能够实现放大辐射，一旦 频率超过该范围，即使具有高Q值，也不能被放大形成振荡。
中心频率位于，在d间隔内的模式数：
例如：V 1cm3, 31014 Hz, d 31010 Hz,
由（4.0 12)式可计算出N ~ 2109个模式。
例如：一维共振腔。
假设一个简单的共振腔，具有两个端面镜，横电磁波TEM传输，场分
布为：
e(z,t) E sint sin kz
(4.0 2)
谐振腔的共振频率取决于在z=0和z=L(端面上)处场为零（驻波场），
即 sin kmL 0,
kmL m , m 1,2,...
令km
m
c
n,
则共振频率为m＝
m
c
2nd cos
在光学中Δν称为自由光谱区。
• 半导体激光器一般用 F-P腔作为激光谐振腔,这种器件 称为半导体激光二极管(F-P LD)。 就是正入射 0 时，用 F-P腔作激光谐振腔的纵模间隔。
透 射 率
标准具长度 图4－4 法布里－珀罗标准具的实验透射率与标准具光学长度的
函数关系曲线。R＝0.9, A=0.98, 632.8nm
第一章电子光学基础11-9-7_讲义
分辨率和显微镜的放大倍数是两个概念。超越显 微镜的分辨率继续放大是无效的，因为此时得不到更 多的信息。
9
用最简单的光学系统来 说明分辨率的准确定义及影 响分辨率的因素。
光阑
α：孔径角之半
A
r
L
d
α
O
B
艾里斑
O’
r’ I
S
图1-1 两个点光源像的叠加
84%强度
19%
d
(a)
(b)
图1-2 艾里斑与分辨率的示意图 (a) 艾里斑的强度分布
6
电子显微分析
1
电
第 一 章
子 光 学 基
础
1.1 分辨率
1.2 磁透镜的聚焦原理
1.3 电子透镜的缺陷和理论分辨 距离 （1） 球差 （2） 像差 （3） 色差 （4） 理论分辨距离
1.4 电子透镜的场深和焦深
1.1 分辨率
Scale of The World
7
8
人眼 0.1mm 光学显微镜 2000Å 电子显微镜 0.02Å
Fri.
23 2011-12-23
十六
Wed.
24 2011-12-28
4
1. 了解和掌握电子显微分析方法的理论知识和表 征技术；
2. 学会应用所学的测试方法，研究材料组成、结 构与性能的关系，通过测试方法的应用指导材 料制备工艺的改进与调整；
3. 正确地运用现代分析技术开展有关的科学研究。
教 学 目 标
2. 按时出席，占成绩的10％。 3. 完成作业，占成绩的20％。 4. 期末闭卷考试，考试分数占成绩
的70％。
3
上课时间表
周数
周几 次数
日期
9
用最简单的光学系统来 说明分辨率的准确定义及影 响分辨率的因素。
光阑
α：孔径角之半
A
r
L
d
α
O
B
艾里斑
O’
r’ I
S
图1-1 两个点光源像的叠加
84%强度
19%
d
(a)
(b)
图1-2 艾里斑与分辨率的示意图 (a) 艾里斑的强度分布
6
电子显微分析
1
电
第 一 章
子 光 学 基
础
1.1 分辨率
1.2 磁透镜的聚焦原理
1.3 电子透镜的缺陷和理论分辨 距离 （1） 球差 （2） 像差 （3） 色差 （4） 理论分辨距离
1.4 电子透镜的场深和焦深
1.1 分辨率
Scale of The World
7
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人眼 0.1mm 光学显微镜 2000Å 电子显微镜 0.02Å
Fri.
23 2011-12-23
十六
Wed.
24 2011-12-28
4
1. 了解和掌握电子显微分析方法的理论知识和表 征技术；
2. 学会应用所学的测试方法，研究材料组成、结 构与性能的关系，通过测试方法的应用指导材 料制备工艺的改进与调整；
3. 正确地运用现代分析技术开展有关的科学研究。
教 学 目 标
2. 按时出席，占成绩的10％。 3. 完成作业，占成绩的20％。 4. 期末闭卷考试，考试分数占成绩
的70％。
3
上课时间表
周数
周几 次数
日期
电子光学基础1
21
电磁透镜的一大特点是景深大，焦长很长，这是由于小孔径角成像的结果。 电磁透镜的一大特点是景深大，焦长很长，这是由于小孔径角成像的结果。
习 题 1.电子波有何特征?与可见光有何异同? 2.分析电磁透镜对电子波的聚焦原理，说明电磁透镜 的结构对聚焦能力的影响。 3.电磁透镜的像差是怎样产生的?如何来消除和减少 像差? 4.说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素 是什么? 5.如何提高电磁透镜的分辨率？ 6.电磁透镜景深和焦长主要受哪些因素影响?说明电 磁透镜的景深大、焦长长，是什么因素影响的结果？ 假设电磁透镜没有像差，也没有衍射埃利斑，即分辨 率极高，此时它的景深和焦长如何?
4
2. 两个物点成像的情况: 即Ｓ1、Ｓ2成像后在像平 面上会产生两个Airy斑Ｓ 1’、Ｓ2’．
5
如果两个物点靠近，相应的两 个Airy斑也逐渐重叠。当斑中 心间距等于Airy 斑半径时， 强度峰谷值相差１９％，人眼 可以分辨;当一点光源衍射图 样的中央最亮处刚好和另一个 点的第一个最暗处重合时，两 衍射斑中心强度约为中央的８ ０％，人眼刚可以分辨。-刚 Rayle： 电磁透镜的聚焦原理： 电荷在磁场中运动时，受到磁场的作用力，即洛仑磁力。 电磁透镜实质是一个通电的短线圈，它能造成一种轴对称的分 布磁场。 洛仑兹 洛仑兹力的计算 洛仑兹力与电磁透镜的聚焦原理:正电子荷在磁场中运动时受 到磁场的作用力： f = q v × B 式中，q—运动电荷（正电荷） v—电荷运动速度 B= B—电荷所在位置磁感应强度,与磁场强度H的关系： µ H 由于磁场对运动电子的作用力总是垂直于电子的速度，因此这 个力不改变电子运动速度的大小，只改变电子运动的方向。即 电子在磁场中运动速度的大小是不变的。磁场即不加速电子， 也不阻滞电子，只改变电子运动的轨迹。
电磁透镜的一大特点是景深大，焦长很长，这是由于小孔径角成像的结果。 电磁透镜的一大特点是景深大，焦长很长，这是由于小孔径角成像的结果。
习 题 1.电子波有何特征?与可见光有何异同? 2.分析电磁透镜对电子波的聚焦原理，说明电磁透镜 的结构对聚焦能力的影响。 3.电磁透镜的像差是怎样产生的?如何来消除和减少 像差? 4.说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素 是什么? 5.如何提高电磁透镜的分辨率？ 6.电磁透镜景深和焦长主要受哪些因素影响?说明电 磁透镜的景深大、焦长长，是什么因素影响的结果？ 假设电磁透镜没有像差，也没有衍射埃利斑，即分辨 率极高，此时它的景深和焦长如何?
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2. 两个物点成像的情况: 即Ｓ1、Ｓ2成像后在像平 面上会产生两个Airy斑Ｓ 1’、Ｓ2’．
5
如果两个物点靠近，相应的两 个Airy斑也逐渐重叠。当斑中 心间距等于Airy 斑半径时， 强度峰谷值相差１９％，人眼 可以分辨;当一点光源衍射图 样的中央最亮处刚好和另一个 点的第一个最暗处重合时，两 衍射斑中心强度约为中央的８ ０％，人眼刚可以分辨。-刚 Rayle： 电磁透镜的聚焦原理： 电荷在磁场中运动时，受到磁场的作用力，即洛仑磁力。 电磁透镜实质是一个通电的短线圈，它能造成一种轴对称的分 布磁场。 洛仑兹 洛仑兹力的计算 洛仑兹力与电磁透镜的聚焦原理:正电子荷在磁场中运动时受 到磁场的作用力： f = q v × B 式中，q—运动电荷（正电荷） v—电荷运动速度 B= B—电荷所在位置磁感应强度,与磁场强度H的关系： µ H 由于磁场对运动电子的作用力总是垂直于电子的速度，因此这 个力不改变电子运动速度的大小，只改变电子运动的方向。即 电子在磁场中运动速度的大小是不变的。磁场即不加速电子， 也不阻滞电子，只改变电子运动的轨迹。
光学显微镜的分辨本领
磁透镜与静电透镜的比较：
磁透镜与静电透镜都可以作会聚透镜，但现代所 有的透射电镜除电子光源外都用磁透镜做会聚镜，主 要因为： 1、磁透镜的焦距可以做得很短，获得高的放大 倍数和较小的球差； 2、静电透镜要求过高的电压，使仪器的绝缘问 题难以解决。
2.2 电子光学基础 2.2.4电磁透镜的像差和理论分辨本领
3 rSM 1 MC s 4 3 rS 1 C 4 s
(14) (15)
球差是电子显微镜的最主要的像差之一。它往往决 定显微镜的分辨本领。
2.2 电子光学基础 2.2.4电磁透镜的像差和理论分辨本领
2.2 电子光学基础 2.2.4电磁透镜的像差和理论分辨本领
2.色差
玻璃透镜对不同波长的光具有不同的焦距，磁透 镜对不同能量的电子也有不同的会聚能力，这正是引起 色差的原因。如图所示 其效果与球差相似，在轴向距离范围内也存在一 个最小的色差弥散圆斑，半径为 rC：
电子在静电场中受到电场力的作用将产生加速度。 初速度为0的自由电子从零电位到达V电位时，电子的运 动速度v为：
v
2eV m
(10)
即加速电压的大小决定了电子运动的速度。
2.2 电子光学基础 2.2.3电子在电磁场中的运动和电子透镜
2.2 电子光学基础 2.2.3 电子在电磁场中的运动和电子透镜
当电子的初速度不为零、运动方向与电场力方向不 一致时，电场力不仅改变电子运动的能量，而且也改 变电子的运动方向。 如图1，AB上方电位为V1，下方为V2，电子通过V1、 V2的界面时，电子的运动方向突变，电子运动的速度 从v1变为v2。 因为电场力的方向总是指向等电位面的法线，从低 电位指向高电位，而在电位面的切线方向的作用力为0。 也就是说在该方向的速度分量不变。所以有：
磁透镜与静电透镜都可以作会聚透镜，但现代所 有的透射电镜除电子光源外都用磁透镜做会聚镜，主 要因为： 1、磁透镜的焦距可以做得很短，获得高的放大 倍数和较小的球差； 2、静电透镜要求过高的电压，使仪器的绝缘问 题难以解决。
2.2 电子光学基础 2.2.4电磁透镜的像差和理论分辨本领
3 rSM 1 MC s 4 3 rS 1 C 4 s
(14) (15)
球差是电子显微镜的最主要的像差之一。它往往决 定显微镜的分辨本领。
2.2 电子光学基础 2.2.4电磁透镜的像差和理论分辨本领
2.2 电子光学基础 2.2.4电磁透镜的像差和理论分辨本领
2.色差
玻璃透镜对不同波长的光具有不同的焦距，磁透 镜对不同能量的电子也有不同的会聚能力，这正是引起 色差的原因。如图所示 其效果与球差相似，在轴向距离范围内也存在一 个最小的色差弥散圆斑，半径为 rC：
电子在静电场中受到电场力的作用将产生加速度。 初速度为0的自由电子从零电位到达V电位时，电子的运 动速度v为：
v
2eV m
(10)
即加速电压的大小决定了电子运动的速度。
2.2 电子光学基础 2.2.3电子在电磁场中的运动和电子透镜
2.2 电子光学基础 2.2.3 电子在电磁场中的运动和电子透镜
当电子的初速度不为零、运动方向与电场力方向不 一致时，电场力不仅改变电子运动的能量，而且也改 变电子的运动方向。 如图1，AB上方电位为V1，下方为V2，电子通过V1、 V2的界面时，电子的运动方向突变，电子运动的速度 从v1变为v2。 因为电场力的方向总是指向等电位面的法线，从低 电位指向高电位，而在电位面的切线方向的作用力为0。 也就是说在该方向的速度分量不变。所以有：
南邮 光学与光电子基础实验报告
南邮光学与光电子基础实验报告一、实验仪器从基础光学轨道系统红光激光器及光圈支架光传感器与转动传感器，科学工作室500或750接口，datastudio软件系统二、实验简介利用传感器扫描激光衍射斑点可标度各个衍射单缝之间光强与距离变化的具体规律同样可采集干涉双缝或多缝的光强分布规律与理论值相对比，并比较干涉和衍射模式的异同。
理论基础衍射:当光通过单缝后发生衍射，光强极小(暗点)的衍射图案由下式给出asin0=m' λ (m'=1,2 ,3.....) (1)其中a是狭缝宽度0为衍射角度是光的波长。
衍射日角是指从单缝中心到第一级小则数.m为衍射分布级双缝干涉:当光通过两个狭缝发生干涉，从中央最大值(亮点)到单侧某极大的角度由下式给出:dsin0=m入(m=123...) (2)其中d是狭缝间距0为从中心到第m级最大的夹角入是光的波长，m为级数0为中心最高，1为第一级的最大，2为第二级的最大...从中心向外计数)三、实验预备1.将单缝盘安装到光圈支架上，单缝盘可在光圈支架上旋转,将光圈支架的螺丝拧紧，使单缝盘在使用过程中不能转动。
要选择所需的狭缝，秩序旋转光栅片中所需的狭缝到单缝盘中心即可。
2、将采集数据的光传感器与转动传感器安装在光学轨道的另一侧并调整方向。
3、将激光器只对准狭缝，主义光栅盘侧靠近激光器大约几厘米的距离，打开激光器(切勿直视激光)。
调整光栅盘与激光器。
4、自左向右和向上向下的调节激光束的位置直至光束的中心通过狭缝，一旦这个位置确定，请勿在实验过程中调整激光束。
5、初始光传感器增益开关为x10根据光强活时调整。
6、打开datastudio软件并设置文件名。
四、实验内容a、单缝衍射1、旋转单缝光栅使激光光束通过设置为0。
16毫米的单缝。
2、采集数据前，将光传感器移动衍射光斑的一侧，使传感器采集狭缝到需要扫描的起点。
3、在计算机上启动传感器然后慢慢允许推动旋转运动传感器扫描衍射斑点完成扫描后点击停止传感器若果光强过低或者过高,改变光传感器(1x10x，100x)。
电子衍射解析
•短线圈磁透镜 •包壳磁透镜 •极靴磁透镜
五、电磁透镜成像公式
电磁透镜物距L1，像距L2和焦距f三者之间的关系： 1/f=1/L1+1/L2
放大倍数M分别为： M=L2/L1=f/L1-f=（L2-f）/f
当L2一定时，M和f成反比：当L1≥2f，M≤1；当f<L1<2f，M>1。
电磁透镜的焦距计算式：
d0 = 0.61×3.7×10-3/10-2 = 0.225 nm
三、静电透镜
原因：这是因为电场对电子作用力的方 向总是沿着电子所处点的等电位面的法 线，从低电位指向高电位，所以沿电子 所处点的等电位面切线方向电场力的分 量为零，电子沿该方向运动速度分量ν保 持不变。由图可知：
sinθ/sinγ=ν 2/ν1=λ1/λ2=（V2/V1）²
I0=Ib+Is+It+Ia η+ζ+τ+α=1
式中η=Ib/I---称背散射电子系数； ζ=Is/I---称二次电子系数； τ=It/I---称透射电子系数； α=Ia/I---称吸收电子系数。
试样的密度与厚度和乘积越小，则 透射电子系数越大；反之，则称吸收 电子系数和背散射电子系数越大。图 为电子在铜试样中的透射电子系数， 吸收电子系数和背散射电子系数（包 括二次电子）随试样质量厚度ρZ的变 化。
习惯上 nsinα 称为数值孔径用N*A表示。将玻璃透镜的一般参数 代入上式，即最大孔径半角α=70∽75，在介质为油的情况下， n=1.5,其数值孔径nsinα=1.25∽1.35 可见光的波长范围 3900∽7600故而光学显微镜的分辨率不可能高于2000埃。
二、电子的波性及其波长
德布罗意公式：
电磁透镜的理论分辨本领 Rth=ACs1/2λ3/4 （2-25）
五、电磁透镜成像公式
电磁透镜物距L1，像距L2和焦距f三者之间的关系： 1/f=1/L1+1/L2
放大倍数M分别为： M=L2/L1=f/L1-f=（L2-f）/f
当L2一定时，M和f成反比：当L1≥2f，M≤1；当f<L1<2f，M>1。
电磁透镜的焦距计算式：
d0 = 0.61×3.7×10-3/10-2 = 0.225 nm
三、静电透镜
原因：这是因为电场对电子作用力的方 向总是沿着电子所处点的等电位面的法 线，从低电位指向高电位，所以沿电子 所处点的等电位面切线方向电场力的分 量为零，电子沿该方向运动速度分量ν保 持不变。由图可知：
sinθ/sinγ=ν 2/ν1=λ1/λ2=（V2/V1）²
I0=Ib+Is+It+Ia η+ζ+τ+α=1
式中η=Ib/I---称背散射电子系数； ζ=Is/I---称二次电子系数； τ=It/I---称透射电子系数； α=Ia/I---称吸收电子系数。
试样的密度与厚度和乘积越小，则 透射电子系数越大；反之，则称吸收 电子系数和背散射电子系数越大。图 为电子在铜试样中的透射电子系数， 吸收电子系数和背散射电子系数（包 括二次电子）随试样质量厚度ρZ的变 化。
习惯上 nsinα 称为数值孔径用N*A表示。将玻璃透镜的一般参数 代入上式，即最大孔径半角α=70∽75，在介质为油的情况下， n=1.5,其数值孔径nsinα=1.25∽1.35 可见光的波长范围 3900∽7600故而光学显微镜的分辨率不可能高于2000埃。
二、电子的波性及其波长
德布罗意公式：
电磁透镜的理论分辨本领 Rth=ACs1/2λ3/4 （2-25）
电子显微分析基础
焦距 与加速电压 和透镜内磁场的轴向 分量 有如下关系
电磁透镜
磁场B对电荷量为-e和速度为v的电子的作用力， 即洛伦兹力，其矢量表达式： F= -e(v ×B) F力的大小为： F=evBsin(v,B) F力垂直于电荷运动速度v和磁感应强度B所决 定的平面，F的方向按矢量叉积（B× v ）的右 手法则来确定。
2主要信号
背散射电子：入射电子在样品中经散射后再从上表
面射出来的电子。反映样品表面不同取向、不同平
均原子量的区域差别。
二次电子：由样品中原子外壳层释放出来，在扫描
电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。
X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外层 电子跃迁至内层时发出的光子。
其他信号
俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃
利用短波长的射线
电子波动性被发现后，很快被利用来作为提高显微镜 分辨率的新光源——即出现了电子显微镜。
电子的粒子性
质量：9.1095 × 10-23 克；
电量：－1.602 × 10-10 库仑； 在电子显微镜中，电子的加速电压一般在几十 千伏以上，根据相对论，电子的质量随速度的增加 而增大。
二次电子
它是被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称为次级
电子。
二次电子的能量比较低，一般小于50eV；背散射电子的 能量比较高，其约等于入射电子能量 E0。
电子能谱
吸收电子 它是被吸收电子是随着与样品中原子
核或核外电子发生非弹性散射次数的增 多，其能量和活动能力不断降低以致最
后被样品所吸收的入射电子。
电磁透镜
为了便于分析电磁透聚焦原理，把透镜磁场中任意一点的磁感应强
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v为电子运动的速度，c为光速。
波长与电压的计算公式应校正为： ＝12.25/[U(1+0.9788×10-6U)]1/2
17
不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）
加速电压/KV
1 2 3 4 5 10 20 30
电子波波长/Å
0.388 0.274 0.224 0.194 0.173 0.122 0.0859 0.0698
静电透镜 1.需改变加速电压才 可改变焦距和放大率
2.静电透镜需数万伏 电压，常会引起击穿 3.像差较大
由于静电透镜从性能上不如电磁透镜，所以在目前 研制的电子显微镜中都采用电磁透镜。
22
（1）电磁透镜的聚焦原理 电子在磁场中的运动：
电子
磁力线
23
运动电子在磁场中受到Lorentz力作用，其表 达式：
像差。能量大的电子在距透镜中心比较远的地点聚焦， 而能量较低的电子在距透镜中心比较近的地点聚焦。 结果使得由同一物点散射的具有不同能量的电子经透 镜后不再会聚于一点，而是在像面上形成一漫射圆斑。
37
由于上述像差的存在，虽然电子波长只有光 波长的十万分之一左右，但尚不能使电磁透 镜的分辨率提高十万倍。
为什么还存在景深？
40
因为衍射和像差的存在
偏离理想物平面的特点都存在一定程度的失 焦，它们在透镜的像平面上将产生一个具有一 定尺寸的失焦圆斑。如果失焦圆斑的尺寸不超 过由衍射效应和像差引起的散焦斑，则不会影 响电镜的分辨率。
41
如果把透镜物平面允许的轴 向偏差定义为透镜的景深，用Df 表示。则景深大小Df与物镜的分 辨率Δr0、孔径半角α用下式表示：
第一章 电子光学基础
§1.1 电子显微镜概述
电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子流 对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大后在 荧光屏上成像的大型仪器。
1
comparison 光学显微镜则是利用可见光照明，
将微小物体形成放大影像的光学仪器。
电子显微镜由电子流代替可见光， 由磁场代替透镜，让电子的运动代替光子。
Df＝ 2Δr0/α
上式表明，电磁透镜的孔径 半角越小，景深越大；分辨 率越大，景深越大。
42
一般电磁透镜的α＝10－2－10－3 rad，因此 Df＝(2002000)Δr0 若Δr0＝1nm， 则 Df＝200—2000nm
即电子显微镜对于高度相差在200nm的物体， 可以同时聚焦在成像平面上。
43
b.焦长 焦深（或焦长）是指在保持像清晰的前
提下，像平面沿镜轴可移动的距离，或者说 观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。
44
同样，当透镜焦距和物 距一定时，像平面沿轴向一定 距离内移动，也会引起失焦。 但如果所引起的失焦尺寸不大 于其他原因所引起的散焦斑大 小，则对透镜的分辨率没有影 响。
1932 第一台透射电子显微镜诞生：放大倍数12－17倍 1934 透射电子显微镜的分辨率提高到50nm
1942 剑桥大学马伦：第一台扫描电子显微镜诞生
50年代
英、法、荷、日、美、苏等国透射电子显微镜已批量生产； 同时，晶体缺陷理论得到证实。
60年代
透射电子显微镜的分辨率提高到0.5nm； 商品用扫描电子显微镜的分辨率25nm
DL＝2 Δr0M2/α=Df·M2
45
➢一般的电镜焦长都超过10-20cm。 ➢因此，只要图象在显示屏上是清晰的，那么
在屏的上下10cm范围放置胶片，得到的图 象依然是清晰的。
46
4 电磁透镜与光学显微镜的比较
电磁透镜
光学透镜
光源
电子束 波长 <0.037Å
可见光 4000－7500Å
媒介
真空 10－4－10－9
电子探针 Electron Probe Microscopic analyzer（EPMA）
48
扫描电子显微镜
只要能使加速电压提高到一定值就可得到很短 的电子波。
用高压加速电子就成为近代电镜的最重要特点， 用这样的电子波作为照明源就可显著提高显微 镜的分辨率。
那么能不能制造出使电子波聚焦成像的源自镜？193、电磁透镜
静电透镜 电子是带负电的粒子，在静电场中会受到 电场力的作用，使运动方向发生偏转，设计 静电场的大小和形状可实现电子的聚焦和发 散。把 由静电场制成的透镜称为静电透镜， 在电子显微镜中，发射电子的电子枪就是利 用静电透镜。
加速电压/KV
40 50 60 80 100 200 500 1000
电子波波长/Å
0.0601 0.0536 0.0487 0.0418 0.0370 0.0251 0.0142 0.0087
18
可见光的波长在3900-7600Å 之间，在常用的 100-200KV加速电压下，电子波的波长要比可见 光小5个数量级
这是它有别于光学玻璃凸透镜的一个特点。
32
（2）电磁透镜的缺陷 电子波波长很短，在100KV的加速电压下，电子
波波长为0.037Å，用这样短波长的电子波做显微镜 的照明源， 根据Δr0=1/2λ
显微镜的最小分辨率可达0.02Å左右。然而到目前 为止，电镜的最佳分辨率仍停留在0.01nm的水平。
Why？
大气
透镜
电子透镜（电磁铁）
光学透镜（玻璃透镜）
分辨率 0.01nm
可见光区 200nm
放大倍数 10－1百万,连续可调
紫外光区 100nm 10－2000 换镜头
景深
1000倍时30um
1000倍时0.1um
聚焦原理 电子聚焦、计算机控制
机械聚焦
图象特点 黑白灰度
彩色或黑白
主要图象 透射电子像、二次电子像、背散 光学透射、反射、干涉像
F -eV B
式中：e-运动电子电荷；
v-电子运动速度矢量； B-磁感应强度矢量； F-洛仑兹力 。
显然，F的方向垂直于矢量v和B所决定 的平面，力的方向可由左手法则确定。
24
（1）v∥B，则F=0，电子不受磁场力作用，其运动速度 的大小及方向不变； （2）若v⊥B，即只改变运动方向，不改变运动速度， 从而使电子在垂直于磁力线方向的平面上做匀速圆周运 动。 （3）若v与B既不垂直也不平行，而成一定夹角，则其 运动轨迹为螺旋线。
光线锥的锥顶角的半角； nsinα称为数值孔径；
11
将玻璃透镜的一般参数代入上式，即最 大孔径半角α=70-75，在介质为油的情况下， n＝1.5,其数值孔径n sinα＝1.25-1.35，上式 可化简为：
这说明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，波长 越短，分辨率越大。只有比光线波长一半还大的物体 才会产生反射光而被放大看到。所以，用最好的光学 显微镜，其分辨率也只能是可见光波长的一半。
➢人眼睛的分辨率大约为0.1个毫米。 ➢所以，要想看清比0.1个毫米还小的东西，就要借助
于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的物 体至少放大到0.1个毫米以上，才能看清它。
10
根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：
r0：两物点的间距； λ：光线的波长； n：透镜周围介质的折射率； α：孔径角，即物点发出能进入透镜成像的
33
原因：电磁透镜存在像差
像差分成两类，即几何像差和色差。 几何像差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成
的，几何像差主要指球差和像散 色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改
变而造成的。
34
a、球差（球面像差） 球差是由于电磁透镜中心区域和边缘区域磁场强度的
差异，从而造成对电子会聚能力不同而造成的。 远轴电子通过透镜时被折射得比近轴电子要厉害得多，
“数码显微镜” : 光学显微镜
2
光学显微镜和扫描电镜的光路比较
光源
可见光
电子束
聚光镜 物镜 投影镜
样品
电磁聚光镜
样品
扫描线圈 探测器
图像
光镜
3
扫描电镜
扫描电镜和光学显微镜的图像比较
扫描电镜图像
光学显微镜图像
History of Microscope
大约在400年 前（1590年）， 由荷兰科学家杨 森和后来的博物 学家列文虎克发 明和完善的显微 镜，向人们揭示 了一个陌生的微 观世界，他们是 开辟人类显微分 析的始祖。
射电子像、吸收电子像、X射线面
扫描像、X射线线扫描像等
主要附件 电子衍射装置、特征X射线波谱 偏光、反光、锥光…
仪、特征X射线能谱仪、俄歇电子 谱仪
47
四、电子显微镜的类型及用途
包括以下三种类型的仪器：
扫描电子显微镜 Scanning Electron Microscopy （SEM）
透射电子显微镜 Transparent Electron Microscopy（TEM）
如何得到短波长？
14
2、 电子波的波长
已知电子束具有波动性，对于运动速度为v， 质量为m的电子波的波长为：
=h/mv
h－普朗克常数；m－电子的质量；V－电子的速度。
电子的速度v和加速电压U之间: eU ＝1/2 mv2 e－电子所带的电荷。
即 v ＝（2eU/m）1/2
15
由此得 ＝ h/(2emU)1/2
70-80 年代
电子显微学科诞生。
8
德国 ZEISS 日本 HITACHI
荷兰 Philips
美国 FEI
现在电子显微镜的分辨率可达到0.01nm 可携带的附件：X射线波谱分析仪、X射线能谱仪、自 动图像分析仪、背散射衍射仪等等。功能越来越强大。
9
§1.3 电子光学基础
1、分辨率
➢简单地说，分辨率就是能够把两个点分辨开的最小 距离。
20
电磁透镜
运动的电子在磁场中也会受磁场力的作用发 生偏折，从而达到会聚和发散，由磁场制成 的透镜称为磁透镜。用通电线圈产生的磁场 来使电子波聚焦成像的装置叫电磁透镜。
波长与电压的计算公式应校正为： ＝12.25/[U(1+0.9788×10-6U)]1/2
17
不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）
加速电压/KV
1 2 3 4 5 10 20 30
电子波波长/Å
0.388 0.274 0.224 0.194 0.173 0.122 0.0859 0.0698
静电透镜 1.需改变加速电压才 可改变焦距和放大率
2.静电透镜需数万伏 电压，常会引起击穿 3.像差较大
由于静电透镜从性能上不如电磁透镜，所以在目前 研制的电子显微镜中都采用电磁透镜。
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（1）电磁透镜的聚焦原理 电子在磁场中的运动：
电子
磁力线
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运动电子在磁场中受到Lorentz力作用，其表 达式：
像差。能量大的电子在距透镜中心比较远的地点聚焦， 而能量较低的电子在距透镜中心比较近的地点聚焦。 结果使得由同一物点散射的具有不同能量的电子经透 镜后不再会聚于一点，而是在像面上形成一漫射圆斑。
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由于上述像差的存在，虽然电子波长只有光 波长的十万分之一左右，但尚不能使电磁透 镜的分辨率提高十万倍。
为什么还存在景深？
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因为衍射和像差的存在
偏离理想物平面的特点都存在一定程度的失 焦，它们在透镜的像平面上将产生一个具有一 定尺寸的失焦圆斑。如果失焦圆斑的尺寸不超 过由衍射效应和像差引起的散焦斑，则不会影 响电镜的分辨率。
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如果把透镜物平面允许的轴 向偏差定义为透镜的景深，用Df 表示。则景深大小Df与物镜的分 辨率Δr0、孔径半角α用下式表示：
第一章 电子光学基础
§1.1 电子显微镜概述
电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子流 对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大后在 荧光屏上成像的大型仪器。
1
comparison 光学显微镜则是利用可见光照明，
将微小物体形成放大影像的光学仪器。
电子显微镜由电子流代替可见光， 由磁场代替透镜，让电子的运动代替光子。
Df＝ 2Δr0/α
上式表明，电磁透镜的孔径 半角越小，景深越大；分辨 率越大，景深越大。
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一般电磁透镜的α＝10－2－10－3 rad，因此 Df＝(2002000)Δr0 若Δr0＝1nm， 则 Df＝200—2000nm
即电子显微镜对于高度相差在200nm的物体， 可以同时聚焦在成像平面上。
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b.焦长 焦深（或焦长）是指在保持像清晰的前
提下，像平面沿镜轴可移动的距离，或者说 观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。
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同样，当透镜焦距和物 距一定时，像平面沿轴向一定 距离内移动，也会引起失焦。 但如果所引起的失焦尺寸不大 于其他原因所引起的散焦斑大 小，则对透镜的分辨率没有影 响。
1932 第一台透射电子显微镜诞生：放大倍数12－17倍 1934 透射电子显微镜的分辨率提高到50nm
1942 剑桥大学马伦：第一台扫描电子显微镜诞生
50年代
英、法、荷、日、美、苏等国透射电子显微镜已批量生产； 同时，晶体缺陷理论得到证实。
60年代
透射电子显微镜的分辨率提高到0.5nm； 商品用扫描电子显微镜的分辨率25nm
DL＝2 Δr0M2/α=Df·M2
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➢一般的电镜焦长都超过10-20cm。 ➢因此，只要图象在显示屏上是清晰的，那么
在屏的上下10cm范围放置胶片，得到的图 象依然是清晰的。
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4 电磁透镜与光学显微镜的比较
电磁透镜
光学透镜
光源
电子束 波长 <0.037Å
可见光 4000－7500Å
媒介
真空 10－4－10－9
电子探针 Electron Probe Microscopic analyzer（EPMA）
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扫描电子显微镜
只要能使加速电压提高到一定值就可得到很短 的电子波。
用高压加速电子就成为近代电镜的最重要特点， 用这样的电子波作为照明源就可显著提高显微 镜的分辨率。
那么能不能制造出使电子波聚焦成像的源自镜？193、电磁透镜
静电透镜 电子是带负电的粒子，在静电场中会受到 电场力的作用，使运动方向发生偏转，设计 静电场的大小和形状可实现电子的聚焦和发 散。把 由静电场制成的透镜称为静电透镜， 在电子显微镜中，发射电子的电子枪就是利 用静电透镜。
加速电压/KV
40 50 60 80 100 200 500 1000
电子波波长/Å
0.0601 0.0536 0.0487 0.0418 0.0370 0.0251 0.0142 0.0087
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可见光的波长在3900-7600Å 之间，在常用的 100-200KV加速电压下，电子波的波长要比可见 光小5个数量级
这是它有别于光学玻璃凸透镜的一个特点。
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（2）电磁透镜的缺陷 电子波波长很短，在100KV的加速电压下，电子
波波长为0.037Å，用这样短波长的电子波做显微镜 的照明源， 根据Δr0=1/2λ
显微镜的最小分辨率可达0.02Å左右。然而到目前 为止，电镜的最佳分辨率仍停留在0.01nm的水平。
Why？
大气
透镜
电子透镜（电磁铁）
光学透镜（玻璃透镜）
分辨率 0.01nm
可见光区 200nm
放大倍数 10－1百万,连续可调
紫外光区 100nm 10－2000 换镜头
景深
1000倍时30um
1000倍时0.1um
聚焦原理 电子聚焦、计算机控制
机械聚焦
图象特点 黑白灰度
彩色或黑白
主要图象 透射电子像、二次电子像、背散 光学透射、反射、干涉像
F -eV B
式中：e-运动电子电荷；
v-电子运动速度矢量； B-磁感应强度矢量； F-洛仑兹力 。
显然，F的方向垂直于矢量v和B所决定 的平面，力的方向可由左手法则确定。
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（1）v∥B，则F=0，电子不受磁场力作用，其运动速度 的大小及方向不变； （2）若v⊥B，即只改变运动方向，不改变运动速度， 从而使电子在垂直于磁力线方向的平面上做匀速圆周运 动。 （3）若v与B既不垂直也不平行，而成一定夹角，则其 运动轨迹为螺旋线。
光线锥的锥顶角的半角； nsinα称为数值孔径；
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将玻璃透镜的一般参数代入上式，即最 大孔径半角α=70-75，在介质为油的情况下， n＝1.5,其数值孔径n sinα＝1.25-1.35，上式 可化简为：
这说明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，波长 越短，分辨率越大。只有比光线波长一半还大的物体 才会产生反射光而被放大看到。所以，用最好的光学 显微镜，其分辨率也只能是可见光波长的一半。
➢人眼睛的分辨率大约为0.1个毫米。 ➢所以，要想看清比0.1个毫米还小的东西，就要借助
于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的物 体至少放大到0.1个毫米以上，才能看清它。
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根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：
r0：两物点的间距； λ：光线的波长； n：透镜周围介质的折射率； α：孔径角，即物点发出能进入透镜成像的
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原因：电磁透镜存在像差
像差分成两类，即几何像差和色差。 几何像差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成
的，几何像差主要指球差和像散 色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改
变而造成的。
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a、球差（球面像差） 球差是由于电磁透镜中心区域和边缘区域磁场强度的
差异，从而造成对电子会聚能力不同而造成的。 远轴电子通过透镜时被折射得比近轴电子要厉害得多，
“数码显微镜” : 光学显微镜
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光学显微镜和扫描电镜的光路比较
光源
可见光
电子束
聚光镜 物镜 投影镜
样品
电磁聚光镜
样品
扫描线圈 探测器
图像
光镜
3
扫描电镜
扫描电镜和光学显微镜的图像比较
扫描电镜图像
光学显微镜图像
History of Microscope
大约在400年 前（1590年）， 由荷兰科学家杨 森和后来的博物 学家列文虎克发 明和完善的显微 镜，向人们揭示 了一个陌生的微 观世界，他们是 开辟人类显微分 析的始祖。
射电子像、吸收电子像、X射线面
扫描像、X射线线扫描像等
主要附件 电子衍射装置、特征X射线波谱 偏光、反光、锥光…
仪、特征X射线能谱仪、俄歇电子 谱仪
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四、电子显微镜的类型及用途
包括以下三种类型的仪器：
扫描电子显微镜 Scanning Electron Microscopy （SEM）
透射电子显微镜 Transparent Electron Microscopy（TEM）
如何得到短波长？
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2、 电子波的波长
已知电子束具有波动性，对于运动速度为v， 质量为m的电子波的波长为：
=h/mv
h－普朗克常数；m－电子的质量；V－电子的速度。
电子的速度v和加速电压U之间: eU ＝1/2 mv2 e－电子所带的电荷。
即 v ＝（2eU/m）1/2
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由此得 ＝ h/(2emU)1/2
70-80 年代
电子显微学科诞生。
8
德国 ZEISS 日本 HITACHI
荷兰 Philips
美国 FEI
现在电子显微镜的分辨率可达到0.01nm 可携带的附件：X射线波谱分析仪、X射线能谱仪、自 动图像分析仪、背散射衍射仪等等。功能越来越强大。
9
§1.3 电子光学基础
1、分辨率
➢简单地说，分辨率就是能够把两个点分辨开的最小 距离。
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电磁透镜
运动的电子在磁场中也会受磁场力的作用发 生偏折，从而达到会聚和发散，由磁场制成 的透镜称为磁透镜。用通电线圈产生的磁场 来使电子波聚焦成像的装置叫电磁透镜。