[科普中國]-成像過程

掃描電鏡的成像原理(如圖3-6所示)。在收集板電場的作用下，從試樣表面所發(fā)出的電子信息通過閃爍晶體后轉換為光子，光子通過光導管進入光電倍增管中被放大并轉換為信號電流，再通過電信號放大器的放大后轉換成信號電壓，送到信號處理和成像系統(tǒng)，從而完成了成像信息的電子學過程。1

掃描電鏡的成像過程是通過信號處理和成像系統(tǒng)來完成。

1．電子束的聚集

在真空狀態(tài)下加熱鎢燈絲時會產(chǎn)生電子束，在燈絲外圍的陰極和位于相反的陽極之間施加高電壓。拉出電子束并縮小到直徑為30～50μm的交叉點，電子束被陽極加速，再連續(xù)被第一、第二聚光鏡、物鏡縮小，以及掃描線圈的作用，形成聚集得很細的電子束(即電子探針，直徑為3～10“m)，照射于樣品上。電子探針和樣品之間互相作用，從試樣表層發(fā)生各種信號電子，它們用相應的探測器接收，經(jīng)過放大、處理后，可以獲得各種信號的圖像。信號不同，所呈現(xiàn)的圖像表示樣品的性質不同。電子探針和樣品相互作用所產(chǎn)生的信號電子有：二次電子、背散射電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光、吸收電子、透射電子等等(見圖3—7)。

(1)二次電子 入射電子受樣品的散射與樣品的原子進行能量交換，使樣品原子的外層電子受激發(fā)而逸出樣品表面，這些逸出樣品表面的電子就叫做二次電子。還有一部分二次電子是背散射電子逸出樣品表面時激發(fā)的，在成像時形成本底。二次電子逸出樣品之前，受到樣品本身的散射，能量有損失，它們的能量較低(0～50 eV)，其發(fā)射深度為樣品表面幾納米到幾十納米的區(qū)域。從樣品得到的二次電子產(chǎn)率既與樣品成分有關，又與樣品的表面形貌有更密切的關系，所以它是研究樣品表面形貌最佳的工具。通常所說的掃描電子像就是指二次電子像，其分辨率高、無明顯陰影效應、場深大、立體感強，特別適用于粗糙表面及斷口的形貌觀察。

(2)背散射電子(反射電子) 背散射電子是入射電子受到樣品中原子核散射而大角度反射回來的電子。它的能量損失較小，能量值接近入射電子的能量。這種電子是入射電子深入到樣品內部后被反射回來的，所以它在樣品中產(chǎn)生區(qū)域較大(約為1/lm)。背散射電子像與樣品的原子序數(shù)有關，與樣品的表面形貌也有一定關系?？梢杂秒p探測器獲得背散射電子的組分像和形貌像。利用這種電子的衍射信息，還可研究樣品的結晶學特性。

(3)X射線 入射電子進人樣品，如在原子核附近則受核庫侖場作用而改變運動方向，同時產(chǎn)生連續(xù)X射線，即軟X射線。如入射電子打到核外電子上，把原子的內層電子(如K層)打到原子之外，使原子電離，鄰近殼層的電子(如L層)填充電離出的電子穴位，同時釋放出X射線，該X射線的能量為兩個殼層的能量差。各元素原子的各個電子能級能量為確定值，所以此時釋放出的x射線叫特征X射線。分析特征X射線的波譜和能譜，就可以研究樣品的元素和組成成分。

(4)俄歇電子 樣品原子中的內層(如K層)電子被入射電子激發(fā)時樣品發(fā)生了弛豫過程，多余的能量除發(fā)射特征X射線外，還可以使較外層(如L層)的兩個電子相互作用后，一個跳到內層填充空穴，另一個獲得能量離開原子成為俄歇電子。俄歇電子是Auger在1925年研究X射線發(fā)射光譜時發(fā)現(xiàn)的。俄歇電子能量為E—E?！?K L，不同元素的俄歇電子能量有不同的特定數(shù)值，分析俄歇電子能譜就可以確定樣品組成元素。

(5)陰極熒光 有些固體受電子束照射后，價電子被激發(fā)到高能級或能帶中，被激發(fā)的材料同時產(chǎn)生了弛豫發(fā)光，這種光稱為陰極熒光。其波長是紅外光、可見光或紫外光，也可用來作為信號電子。用它可以研究礦物中的發(fā)光微粒、發(fā)光半導體材料中的晶格缺陷和熒光物質的均勻性等等。

上述可知，用不同的探測器檢測出不同的信號電子，可以反映樣品的不同性質，如在二次電子探測器的柵網(wǎng)改加上負壓(約一30 V)就可以檢測背散射電子。一般掃描電鏡主要是利用二次電子或背散射電子成像，觀察研究表面形貌。其他的信號電子可分析元素、結晶、化學態(tài)和電磁性質。

2．掃描和掃描電鏡的放大倍數(shù)

在鏡體內的電子束通路上有偏轉線圈(或掃描線圈)，在顯示部分的顯像管上也有偏轉線圈，這些偏轉線圈接受來自掃描電源X、y軸(水平、垂直軸)的鋸齒波電流。顯像管畫面上的樣品圖像在顯像管內有相應的電子束定位點，它和樣品表面上電子探針的定位點一直保持完全準確的相應關系(同步掃描)。顯像管的畫面幅度和樣品上掃描幅度之比，決定掃描電鏡的放大倍數(shù)。顯像管上畫面的幅度是固定的，如果把供應鏡體內偏轉線圈的偏轉電流加以改變，則掃描電鏡的放大倍數(shù)也要發(fā)生變化。

3．掃描電鏡圖像能立體地逼真反映出樣品的凹凸不平的特點

二次電子量的變化與入射電子在樣品上形成的局部角度有靈敏的關系(傾斜角效應引起的反差)，就是說樣品表面微觀的凹凸形成了掃描電鏡圖像的反差。

入射電子像針那樣細，對于相當凹凸不平的樣品大致都能聚焦(焦點深度大)，能夠在一幅畫面上觀察樣品的深淺全貌。

可以把樣品整個傾斜，從斜處觀察富于凹凸不平的形態(tài)，這更從心理上增加了立體感，拍攝的立體感強。

1、鏡頭把景物影象聚焦在膠片上 　 成像

2、片上的感光劑隨光發(fā)生變化

3、片上受光后變化了的感光劑經(jīng)顯影液顯影和定影 　形成和景物相反或色彩互補的影象

a)光線透過鏡頭投射到感光元件表層；

b)光線被感光元件表層上濾鏡分解成不同的色光；

c)色光被各濾鏡相對應的感光單元感知，并產(chǎn)生不同強度的模擬電流信號，再由感光元件的電路將這些信號收集起來；

d)模擬信號通過數(shù)模轉換器轉換成為數(shù)字信號，再由DSP對這些信號進行處理，還原成為數(shù)字影象；

e)數(shù)字影象再被傳輸?shù)酱鎯ㄉ媳４嫫饋怼?/p>過程簡介

對膠片相機而言，景物的反射光線經(jīng)過鏡頭的會聚，在膠片上形成潛應影，這個潛影是光和膠片上的乳劑產(chǎn)生化學反應的結果。再經(jīng)過顯影和定影處理就形成了影像。

數(shù)碼相機是通過光學系統(tǒng)將影像聚焦在成像元件CCD/ CMOS 上，通過A/D轉換器將每個像素上光電信號轉變成數(shù)碼信號，再經(jīng)DSP處理成數(shù)碼圖像，存儲到存儲介質當中。

光線從鏡頭進入相機，CCD進行濾色、感光（光電轉化），按照一定的排列方式將拍攝物體“分解”成了一個一個的像素點，這些像素點以模擬圖像信號的形式轉移到“模數(shù)轉換器”上，轉換成數(shù)字信號，傳送到圖像處理器上，處理成真正的圖像，之后壓縮存儲到存儲介質中。

照相機一般可按其使用技術特征如：畫幅大小、取景方式、快門形式、測光方式來分類，也可按照相機的外形和結構來分類。具體分類情況如下：

1、照相機根據(jù)其成像介質的不同 　可以分為膠片相機與數(shù)碼照相機以及寶麗來相機。膠片相機主要是指通過鏡頭成像并應用膠片記錄影像的設備。而數(shù)碼照相機則是應用半導體光電耦合器件和數(shù)字存儲方法記錄影像的攝影設備，有使用方便，照片傳輸方便，保存方便等特點。寶麗來相機又稱一次成像相機，是將影象直接感光在特種像紙上，可在一分鐘內看到照片，合適留念照等。

2、按照相機使用的膠片和畫幅尺寸 　可分為35mm照相機(常稱135照相機)、120照相機、110照相機、126照相機、中幅照相機、大幅照相機、APS相機、微型相機等。135照相機使用35mm膠片，其所拍攝的標準畫幅為24mm X 36mm，一般每個膠卷可拍照36張或24張。

3、按照相機的外型和結構 　可分為平視取景照相機(VIEWFINDER)和單鏡頭反光照相機（單反相機）。此外還有折疊式照相機、雙鏡頭反光相機、平視測距器相機(RANGFINDER)、轉機、座機等等。

4、按照相機的快門形式 　可分為鏡頭快門照相機(又稱中心快門照相機)、焦平面快門照相機、程序快門照相機等。

5、按照相機具有的功能和技術特性 　可分為自動調焦照相機，電測光手控曝光照相機，電測光自動曝光照相機等。此外還有快門優(yōu)先式、光圈優(yōu)先式、程序控制式、雙優(yōu)先式、電動卷片(自動卷片、倒片)照相機，自動對焦(AF)照相機，日期后背照相機，內裝閃光燈照相機等。 　有時也可按照相機的用途來分，如專業(yè)相機和消費類相機（傻瓜相機）、一步成象照相機、立體照相機；有時也可按鏡頭的特性分為變焦或雙焦點照相機。實際上一架現(xiàn)代照相機往往具有多方面的特征，因此應以綜合性的方式來定義。

（1）當使用數(shù)碼相機拍攝景物時，景物反射的光線通過數(shù)碼相機的鏡頭透射到CD上。

（2）當CCD曝光后，光電二極管受到光線的激發(fā)而釋放出電荷，生成感光元件的電信號。

（3）CCD控制芯片利用感光元件中的控制信號線路對發(fā)光二極管產(chǎn)生的電流進行控制，由電流傳輸電路輸出，CCD會將一次成像產(chǎn)生的電信號收集起來，統(tǒng)一輸出到放大器。

（4）經(jīng)過放大和濾波后的電信號被傳送到ADC，由ADC將電信號（模擬信號）轉換為數(shù)字信號，數(shù)值的大小和電信號的強度與電壓的高低成正比，這些數(shù)值其實也就是圖像的數(shù)據(jù)。

（5）此時這些圖像數(shù)據(jù)還不能直接生成圖像，還要輸出到DSP（數(shù)字信號處理器）中，在DSP中，將會對這些圖像數(shù)據(jù)進行色彩校正、白平衡處理，并編碼為數(shù)碼相機所支持的圖像格式、分辨率，然后才會被存儲為圖像文件。

（6）當完成上述步驟后，圖像文件就會被保存到存儲器上,我們就可以欣賞了。

數(shù)碼相機采用電子元器件成像而非膠卷——這是數(shù)碼相機與傳統(tǒng)相機最本質的區(qū)別所在。數(shù)碼相機的成像器件主要分為兩類：

CCD——英文ChargeCoupleDevice的縮寫，中文名稱“電荷耦合器件”。

CMOS——英文ComplementaryMetal-OxideSemiconductor的縮寫，中文名稱為“互補金屬氧化物半導體”。

1)CCD是目前主流的成像器件，主要分為：

（1）R-G-B原色CCD：這是數(shù)碼相機上應用的最多的CCD。

（2）C-Y-G-M補色CCD：早些時候尼康部分數(shù)碼相機使用過這種補色CCD。

（3）R-G-B-E四色CCD：這是索尼最新發(fā)布的CCD，它比RGB原色CCD多出一個E（Emerale,翠綠）的顏色。

2）SuperCCD：是日本富士公司的專利技術，中文名稱為超級CCD，由CCD演變而成，目前已經(jīng)發(fā)展到第4代。

3）CMOS：作為數(shù)碼相機成像器件出現(xiàn)的時間并不長，但發(fā)展卻非常迅速，大有與CCD分庭抗爭之勢，其基本結構中的像素排列方式與R-G-B原色CCD并沒有本質差別。佳能是CMOS陣營的主要支持者。

CCD技術成熟，成像質量好，畢竟它是現(xiàn)在應用的最廣泛的成像元件，但它也有其缺點：

1）耗電量大。早期的數(shù)碼相機有“電老虎”的“美譽”，主要原因之一便來自CCD。雖然現(xiàn)在采用低溫多晶硅顯示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相機的功率，但CCD依然是數(shù)碼相機的耗電大戶——CCD從數(shù)碼相機一開機便隨時保持著工作狀態(tài)，更是無謂地消耗大量的電能。

2）工藝復雜，成本較高。CCD復雜的結構決定了它制造工藝的復雜性，因而到目前為止，CCD還只有為數(shù)不多的幾家電子產(chǎn)業(yè)巨頭能生產(chǎn)。

3）像素提升難度大。CCD前兩個缺點也直接導致了這一個缺點，CCD像素提升無非是通過兩個途徑：

第一，保持感光元件單位面積不變而增大CCD面積，在大面積CCD上集成更多的感光元件。但是這種方式會導致CCD成品率降低，制造成本更高，功耗更大，在民用領域這是不現(xiàn)實的；

第二，縮小感光元件單位面積，在現(xiàn)有水平的CCD面積上集成更多感光元件。但是這種方法會減少感光元件的單位感光面積，降低CCD整體的靈敏度和動態(tài)范圍，影響畫質。

CMOS在最近幾年的發(fā)展速度相當不錯，大有與CCD分庭抗爭之勢——就連目前最頂級的DSLR（單鏡頭反光數(shù)碼相機）柯達（Kodak）DCS14n與佳能(Canon)EOS1Ds均是采用CMOS成像。

相比CCD，CMOS有兩個最突出的優(yōu)點：

1）價格低廉，制造工藝簡單。CMOS可以利用普通半導體生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，不象CCD那樣要求特殊的生產(chǎn)工藝，所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸與成品率都不如CCD有很多限制。

2）耗電量低。雖然CMOS的濾鏡布局與CCD差別不大，但在感光單元的電路結構上卻有很大差別。CMOS每個感光元件都具備獨立的電荷/電壓轉換電路，可將光電轉換后的電信號獨立放大輸出——這比起CCD將所有的信號全部收集起來再放大輸出，速度快了很多。而且CMOS的感光元件只在感光成像時才會工作，所以比CCD更省電。但CMOS同樣存在缺點，如果在使用數(shù)碼相機時成像動作較多，那么CMOS在頻繁的啟動過程中會因為多變的電流而產(chǎn)生熱量，導致雜波并影響畫質。

成像元件是數(shù)碼相機的核心，因而正確認識它的一些重要的參數(shù)是很必要的，這對了解數(shù)碼相機的基本性能、如何選購數(shù)碼相機都能帶來不少幫助。

總像素——總像素是指數(shù)碼相機成像元件上成像單元的數(shù)量，總像素為524萬的CCD，就表示其上集成有524萬個成像單元。數(shù)碼相繼在標示其性能時基本上都采用總像素。

有效像素——數(shù)碼相機在成像時，感光元件邊緣部分會因為光線的衍射而導致成像模糊，為保證成像的質量，感光元件上這部分的成像會被舍棄，所以感光單元不能100%被利用。而被利用起來的，即得到最終圖象的這部分像素就成為有效像素。

尺寸——是指感光元件對角線的長度，常用單位為英寸。常見的有1/1.8英寸、1/2.7英寸、2/3英寸等。一般來說，感光元件尺寸越大，元件的性能與成像效果就越好。另外，數(shù)碼相機的感光元件一般采用4：3的長寬比，比較特殊的則有3：2。

ISO——是指感光元件對光線感應的靈敏程度。數(shù)值越大，靈敏度越高，常見的數(shù)值有50、80、100、160、200、400等，目前數(shù)碼相機感光元件最高ISO值可達3200。須要說明的是，雖然高ISO值可以提高數(shù)碼相機在黑暗環(huán)境中的成像質量，但ISO越高，對畫面質量的影響就越明顯，出現(xiàn)的噪點就越多。