这里写自定义目录标题
一、显微镜类型：根据成像分辨率范围划分 —— 光学显微镜 -> 共聚焦显微镜 -> 近场扫描光学显微镜 -> 扫描电子显微镜 -> 透射电子显微镜 -> 扫描透射电子显微镜 -> 原子力显微镜 -> 扫描隧道显微镜
以下表格按照成像分辨率范围，从低到高（由大到小）罗列了当前主流显微镜类型及其典型分辨率：
| 分辨率范围 | 对应显微镜类型 | 备注 |
|---|---|---|
| >200 nm | 光学显微镜 (LM) | 受可见光衍射极限限制，常规光镜分辨率≈200 nm |
| 100 – 200 nm | 激光共聚焦显微镜 (Confocal LM) | 通过光阑抑制及激光扫描略微突破衍射极限，分辨率可达≈100 nm |
| 20 – 100 nm | 近场扫描光学显微镜 (NSOM/SNOM) | 利用光纤探针实现亚衍射极限成像，但扫描速度较慢 |
| 1 – 10 nm | 扫描电子显微镜 (SEM) | 通过电子束扫描样品表面，二次电子成像，表面形貌纳米级解析 |
| 0.1 – 0.2 nm | 透射电子显微镜 (TEM) | 电子束透射样品成像，可分辨晶格及原子列 |
| <0.05 nm (亚埃级) | 扫描透射电子显微镜 (STEM) | 结合扫描与透射技术，分辨率可至<0.05 nm |
| ~0.1 nm（垂直/横向） | 原子力显微镜 (AFM) | 探针式接触/非接触模式，适用导电及非导电样品 |
| ~0.01 nm | 扫描隧道显微镜 (STM) | 基于量子隧道电流，单原子级表面成像，限于导电样品 |
说明
- 光学显微镜（及其改进的超分辨荧光显微镜可突破至50 nm 左右，如STED、PALM/STORM）：主要用于生物与材料宏观—微观过渡区成像；
- SEM：适合纳米至微米级表面形貌和断面剖析，样品制备相对简单。
- TEM/STEM：可达到原子级分辨率，但对样品厚度和制备工艺要求高。
- AFM/STM：属于扫描探针显微技术，可在原子层面对样品表面进行非可视光成像，适用范围各有侧重（导电性 vs. 通用性）。
1.1、电子显微镜和光学显微镜有哪些区别？
https://www.xipaike.com/news/faq/2801.html
蔡司、赛默飞
1.2、单位换算：毫米（mm） -> 微米（µm） -> 纳米（nm）
🌍 从兆米到纳米（宏观至微观）
| 单位名称 | 符号 | 换算关系（相对于米） | 科学计数法 |
|---|---|---|---|
| 兆米 | Mm | 1,000,000 m | 1×10⁶ m |
| 千米 | km | 1,000 m | 1×10³ m |
| 米 | m | 1 m | 1×10⁰ m |
| 分米 | dm | 0.1 m | 1×10⁻¹ m |
| 厘米 | cm | 0.01 m | 1×10⁻² m |
| 毫米 | mm | 0.001 m | 1×10⁻³ m |
| 微米 | µm | 0.000001 m | 1×10⁻⁶ m |
| 纳米 | nm | 0.000000001 m | 1×10⁻⁹ m |
µm（微米） 也常用于生物、半导体等领域，例如细胞尺寸、芯片工艺。
nm（纳米） 是描述分子结构、光波波长、纳米技术等领域的基本长度单位。
🔬 从纳米到飞米（微观至原子级）
| 单位名称 | 符号 | 换算关系（相对于米） | 科学计数法 |
|---|---|---|---|
| 皮米 | pm | 0.000000000001 m | 1×10⁻¹² m |
| 飞米 | fm | 0.000000000000001 m | 1×10⁻¹⁵ m |
地球直径 ≈ 12,742 km（1.27×10⁷ m）
人体头发直径 ≈ 70 µm（7×10⁻⁵ m）
红细胞直径 ≈ 6~8 µm
可见光波长 ≈ 400~700 nm
DNA链宽度 ≈ 2 nm
氢原子直径 ≈ 120 pm
原子核半径 ≈ 数飞米（几fm）
二、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）
维基百科，扫描电子显微镜 - 成像原理（推荐每日一读，加强理解）
2.1、定义
扫描电子显微镜（SEM），简称扫描电镜。是一种利用聚焦电子束扫描样品表面，并收集电子与样品中的原子相互作用后所产生的各种信号（包含关于样品的表面测绘学形貌和组成的信息），来产生样品表面图像的电子显微镜（信号与光束的位置组合而产生高分辨率图像）。
- 其典型分辨率可达1~10nm，具有大景深、高放大倍率、强表面灵敏度等特点，是材料、半导体、生物、电子、能源等领域常用的微观结构分析工具。样品可以在
高真空，低真空，湿条件（用环境扫描电子显微镜）以及宽范围的低温或高温下观察到。 - 其本质上只能生成二维图像，但由于其具备极高的景深，图像常呈现出明显的三维立体感。
- 若需获取真实的3D结构信息，需通过多角度成像（如倾斜样品台或改变电子束入射角）或多焦距图像采集（如沿Z轴获取焦点序列图像）等方式实现。这些方法均需进行
多次扫描，并结合图像处理与重建算法完成三维信息的近似复原。
2.2、结构
SEM主要由五大系统构成，各模块功能如下：
| 系统模块 | 主要组成 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 电子光学系统 | 电子枪、聚光镜、物镜、电磁透镜、偏转线圈 | 产生并聚焦电子束，对样品进行高精度扫描 |
| 样品室系统 | 样品台（可倾转/移动）、载物架 | 固定与调整样品空间位置，支持多角度观察 |
| 真空系统 | 机械泵、涡轮分子泵、油扩散泵 | 提供高真空环境（10⁻⁴~10⁻⁶Pa），避免电子散射、维持束斑稳定性 |
| 信号探测系统 | 二次电子探测器（SE）、背散射探测器（BSE）、能谱仪（EDS）等 | 接收不同类型信号（次级电子、背散射电子、俄歇电子以及X射线）并转换为图像或谱图 |
| 控制与图像系统 | 显示器、图像处理单元、控制软件 | 实时控制参数（电压、电流、倍率等）并采集、处理、显示图像信息 |
电子枪用于产生电子，主要有两大类，共三种。
- 一类是利用场致发射效应产生电子，称为场致发射电子枪。这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要小于10-10torr的极高真空。但它具有至少1000小时以上的寿命，且不需要电磁透镜系统。
- 另一类则是利用热发射效应产生电子，有钨枪和六硼化镧枪两种。钨枪寿命在30～100小时之间，价格便宜，但成像不如另一种明亮，常作为廉价或标准SEM配置。六硼化镧枪寿命介于场致发射电子枪与钨枪之间，为200～1000小时，价格约为钨枪的十倍，图像比钨枪明亮5～10倍，需要略高于钨枪的真空，一般在10-7torr以上；但比钨枪容易产生过度饱和和热激发问题。
A scanning electron microscope consists in an electron sourceelectromagnetic lenses and an electron detector.
扫描电子显微镜由电子源、电磁透镜和电子探测器组成。
It uses an electron beam instead of lightbased on wave-particle duality.
基于波粒二象性，它使用电子束代替光。
The electron beam is acceleratedand focused on a sample using the lenses.
电子束被加速并通过透镜聚焦在样品上。
The sample emits secondary electronswhich are then detected.
样品发出二次电子，然后被检测到。
The number of detected electronsdepends on the variations of the sample's surface.
检测到的电子数量取决于样品表面的变化。
By scanning the beam and detecting the variation of the numberof emitted electrons, one can reconstitute the surface topography.
通过扫描光束并检测发射电子数的变化，可以重建表面形貌。
The electron beam can also ionize the atoms and make them emit X-raysThe ray's energy depends on the elementary composition of the sample.
电子束也能使原子电离，使它们发出x射线。射线的能量取决于样品的基本成分。
By scanning once again the beam and detecting the X-rays energy,one can deduce the chemical nature of the material and its spatial variation.
通过再次扫描光束并检测x射线能量，人们可以推断出材料的化学性质及其空间变化。
Other types of interactions between the beam and the surfaceallow to perform various complementary analysis.
光束和表面之间的其他类型的相互作用允许执行各种补充分析。
The Scanning Electron Microscope (SEM) thus allows to obtain a magnified imageof the surface of thick samples and to analyze their composition.
因此，扫描电子显微镜（SEM）可以获得厚样品表面的放大图像并分析其成分。
2.3、成像原理
扫描电子显微镜（SEM）的成像过程本质上是一个 “电子信号—图像像素” 转换过程，其核心流程包括五个阶段：
- 电子发射：高能电子束由
电子枪发射，常采用热发射（如钨丝）或场发射源。该电子束为成像提供初级激发能量。- 束斑聚焦：发射出的电子束通过多个
电磁透镜（如聚光镜、物镜）聚焦，最终在样品表面形成纳米级尺寸的电子束斑，确保高分辨率成像能力。- 逐点扫描：
偏转线圈控制电子束在样品表面以栅格方式逐点扫描。每次扫描对应一个像素点的位置，决定了图像空间的分布结构。- 信号激发：电子束与样品原子相互作用，激发出多种出射信号，包括：二次电子（反映表面形貌）、背散射电子（揭示原子序数差异）、特征X射线（用于元素分析）等；
- 图像重构：扫描系统将每一个采集到的信号值，按照当前扫描坐标映射为图像中的像素点；每个像素点的灰度值对应其所处位置的信号强度；信号越强，对应像素灰度越高（越亮），反之则越暗；扫描完成后，整个二维空间被赋予灰度分布，从而形成一幅完整的灰度图像。
备注：SEM中的透镜与放大率无关，详细请看基本参数。
信号采集与转换流程：
样品信号 -> 光信号 -> 电流信号 -> 调制信号 -> 显像管
- 扫描电子束与样品表面相互作用，激发出多种出射信号；
- 出射信号通过闪烁体（scintillator）激发产生微弱的光信号；
- 光信号被引导至光电倍增管（PMT），转化为电流信号并进行多级放大；
- 电信号经过视频放大器进行调制处理，调整至适用于后续显示系统的电平范围；
- 放大的电信号在与电子束扫描同步的条件下，被映射至显像管或数字采集器，实现电信号向空间图像的还原。
| 信号类型 | 来源机制 | 成像用途 |
|---|---|---|
| 二次电子（SE） | 样品表面原子受激释放的低能电子（<50eV） | 表面形貌成像，灵敏度高，边缘清晰 |
| 背散射电子（BSE） | 入射电子发生弹性散射后反射出的高能电子 | 材料成分对比成像（原子序高亮度高） |
| 特征X射线（EDS） | 原子内层电子空位被填补时释放的特征能量 | 元素分析与能谱图获取 |
| 俄歇电子、阴极荧光等 | 多种物理机制 | 特定扩展成像用途 |
2.4、基本参数
| 参数 | 说明 | 工程调控手段 |
|---|---|---|
| 放大倍率（Magnification） | 指束斑扫描范围与图像显示范围的比值 | 改变扫描线圈电流或信号缩放系数 |
| 加速电压（Accelerating Voltage） | 控制电子束能量，影响穿透深度与信号类型 | 软件调节或硬件设定 |
| 景深（Depth Of Field） | 图像清晰区域沿Z轴的厚度范围 | 与WD、孔径和加速电压相关 |
| 工作距离（Working Distance） | 物镜底端至样品表面的垂直距离 | 手动/伺服调焦 |
| 象散矫正（Stigmation） | 矫正因磁场非对称造成的束斑形变 | 通过Stigmator调节X/Y方向磁场 |
| 光阑控制（Aperture） | 控制束斑直径与束流强度 | 切换不同孔径片 |
放大率（Magnification） = 屏幕面积 / 扫描面积
与普通光学显微镜不同，SEM通过控制扫描区域的大小来控制放大率。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积即可。所以，SEM中的透镜与放大率无关。
- 若样品上1μm（1mm = 1x103 μm）结构在屏幕上显示为10mm，则放大率：10mm / 1μm = 10,000。
- 通常，SEM放大率范围从
几十倍（10×）到数十万倍（100,000×）。
景深（Depth of field，DOF）
通俗来讲，景深是指标本在人眼可接受的范围内聚焦的区域。
景深
在SEM中，景深是指样品表面在聚焦面前后仍能形成清晰图像的垂直空间范围，即图像保持可接受清晰度的厚度区域。该范围内的样品结构尽管与焦平面存在微小高差，仍能实现有效成像。
- 景深通常为几十纳米至几微米，其聚焦范围通常比光学显微镜大几千倍，因此SEM具备显微照片呈现出近乎三维的视觉效果。
景深的形成主要依赖于以下几个物理因素：
- 电子束束斑尺寸 + 入射角
- 束斑直径越小，成像更精细，但景深越浅；
- 束斑与样品法线的夹角越大，信号扩展能力强，有助于提升景深。
- 工作距离WD
增大WD→ 入射束斑汇聚角度变小 → 景深增强；减小WD→ 提升分辨率但牺牲景深；- SEM用户常需在 " 高分辨率 vs 大景深 " 之间动态权衡。
- 加速电压
高电压束斑更集中、穿透能力强 → 增强信号收集 → 景深加大；但需避免高电压引发样品荷电效应。- 物镜孔径（Aperture Size）
小孔径→ 限制入射角 → 景深提升；大孔径→ 束流强度增加 → 图像亮度提升但景深下降。
作用体积（Interaction Volume）
电子束实际上不仅与样品表层原子发生作用，而是与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存在一个作用体积。
作用体积的厚度因信号的不同而不同：
- 俄歇电子：0.5～2纳米。
- 次级电子：5λ，对于导体，λ=1纳米；对于绝缘体，λ=10纳米。
- 背散射电子：10倍于次级电子。
- 特征X射线：微米级。
- X射线连续谱：略大于特征X射线，也在微米级。
加速电压（Accelerating Voltage）
加速电压是指电子从电子枪发射后，被加速至样品表面的电势差，单位为kV（千伏），通常可调范围为0.5kV~30kV。加速电压越高，电子束携带的能量越大，其穿透样品的能力越强。
| 加速电压变化 | 影响项 | 影响描述 |
|---|---|---|
| ↑（高电压） | 穿透深度 ↑ | 电子束深入样品内部，形成较大作用体积 |
| 背散射电子 ↑ | 背散射信号增强，适合成分差异成像 | |
| 分辨率 ↑ | 束斑尺寸通常减小（前提：电子光学系统设计优良） | |
| 表面灵敏度 ↓ | 二次电子信号相对减少，表面信息易被掩盖 | |
| 损伤/充电 ↑ | 非导电样品或微弱结构更易被烧蚀、发生电荷积累 | |
| ↓（低电压） | 表面灵敏度 ↑ | 信号来自样品最表层，适合观察细微形貌 |
| 分辨率 ↓ | 束斑发散增大，受光学系统限制 | |
| 作用体积 ↓ | 交互区域局限于样品表面数纳米，适合纳米级结构成像 | |
| 充电/损伤 ↓ | 非导体或敏感样品更安全 |
| 应用场景 | 推荐加速电压 | 原因说明 |
|---|---|---|
| 表面形貌分析（非导电样品） | 0.5kV~5kV | 减少充电效应，提高表面分辨率 |
| 高分辨率结构观察（导体） | 10kV~20kV | 小束斑，高穿透力，分辨率更高 |
| 成分对比（BSE模式） | 15kV~30kV | 背散射电子信号增强，适合Z差异明显的区域分析 |
| 纳米颗粒观察 | 1kV~5kV | 避免烧蚀，增强形貌对比 |
| 能谱分析（EDS） | ≥10kV | 激发足够X射线强度，尤其是激发高Z元素的特征谱峰 |
| 多图像自动采集拼接 | 固定于10kV±0.5 | 保证一致性，防止景深变化、焦面漂移 |
光阑Aperture（光阑矫正）
光阑（或孔径）是设置在物镜下方的小孔，用于限制电子束的束斑尺寸与入射角度，相当于光学系统中的“光圈”。
- 成像原理 —— 不同孔径尺寸直接影响：束流强度（亮度）、束斑直径（分辨率）、入射角分布（影响景深与像差）；选择光阑时需在亮度、清晰度与景深之间进行权衡。
- 小孔径：电子束电流小，束斑小，图像锐利，适用于高分辨率成像；但亮度较低、信噪比下降。
- 大孔径：电子束电流增大，图像更亮，但束斑扩大，分辨率和景深下降，易出现图像泛光和拖尾。
- 现代SEM系统通常配备多档孔径片（如30µm、50µm、100µm），通过电控切换或机械换挡实现自动化选择。调节过程一般遵循以下步骤：在低倍率下选择中等孔径，获取整体轮廓；放大后切换到小孔径，获取细节图像；根据图像需求和样品特性动态调整。
- 调节方案：调节 光阑位置（X/Y偏移） 使其居中于束斑；若光阑偏心导致束斑畸变，会使图像模糊或出现双边边缘，导致清晰度函数误判焦点；
工作距离WD（对焦控制）
修改机器参数，光斑尺寸也会发生变化。
例如：
（1）工作距离越长，光斑尺寸越大；
（2）物镜孔径越小，光斑尺寸越小；
（3）WD不变，通过聚光透镜的电流越大，光斑尺寸越小。
因此，当工作距离较小、聚光透镜较高、孔径较小时，光斑尺寸较小。这三个参数相互作用，需要仔细考虑才能获得最佳图像，因为它们还会影响其他参数，例如焦场和电子信号强度。
工作距离（Working Distance, WD）是指从物镜最下端至样品表面最高点之间的垂直距离，通常以毫米（mm）为单位。
- 成像原理：工作距离直接决定了电子束在样品表面的聚焦位置与入射角，从而影响图像的景深与空间分辨率。
- WD越短：束斑尺寸更小，分辨率更高，适合进行高放大率观察，但景深相应变浅，聚焦容差变小。
- WD越长：图像的景深加大，适合观察凹凸不平或多层结构样品，但束斑尺寸增大，分辨率下降。
- 最佳WD与显微镜的物镜系统和放大倍数有关，通常在5~10mm之间。
- 高分辨率需求：推荐WD≈5mm；
- 深景深场景：推荐WD≈10mm。
- WD与物镜线圈焦距控制电流呈函数关系，通常由系统伺服接口或软件控制。
- 调节方案
- 手动对焦：用户根据图像清晰度调整WD，常通过旋钮、鼠标滚轮或图像导航接口进行。
- 自动对焦（Auto-Focus，AF）：采集一系列不同WD下图像；对每张图像应用清晰度评价函数（如Tenengrad、Laplacian方差）；找到评价函数最大值对应的WD；备注：可进一步引入回归模型或强化学习策略，实现快速预测最优WD，提高调焦效率。 —— 该领域方向尚无人研究
象散Astigmatism（象散矫正Stigmation）
在放大倍数低于 1000 倍的图像中，像散通常可以忽略不计。
象散
消象散
专利：电子显微镜的物镜消像散器
象散是指电子束在X/Y方向上的聚焦位置不一致，导致束斑呈椭圆形或方向拉伸，从而引发图像模糊、边缘拖尾或细节失真等问题，尤其在高倍率成像条件下表现更为明显。
- 成像原理
- 理想的电子束束斑应为对称圆形。 然而由于透镜系统偏差、样品电荷积聚或环境磁干扰等因素，X/Y方向焦距产生差异，导致聚焦异向性。
- 为消除象散，需要使用象散矫正器（Stigmator），该装置通过两个正交方向的电磁线圈施加微弱且方向性可调的非对称磁场，从而精细调控电子束在X与Y方向的聚焦场强，使原本拉伸或椭圆形的束斑逐步收敛为理想的圆形焦点。
- 完成校正后，图像的边缘细节将更清晰、对称性增强，特别是在高倍放大条件下，成像质量改善尤为显著。
- 象散矫正器是实现象散矫正的物理手段（它无法自动判断当前是否存在象散，也无法自行计算最佳调节参数），其依赖于人为或算法输入具体电流值，才能有效补偿不同方向上的象散偏差，实现精准矫正。
- 调节方案
- 手动校正：操作人员逐轴调节Stig_X与Stig_Y旋钮，直至图像边缘最清晰、噪声最小。
- 自动象散校正：通过图像处理算法获取图像的清晰度异向性指标（如：FFT获取频谱椭圆度）；再配合网格搜索、粒子群优化（PSO）等方法自动寻找最优校正参数。
Wobble（辅助聚焦与像散校正 —— 高倍率下影响巨大）
Wobble 是扫描电子束在扫描线或扫描区域内出现的摆动抖动，导致束斑实际扫描位置偏离理想轨迹。这种偏移可能表现为束斑沿扫描方向或垂直方向的周期性振荡，也可能是随机抖动。
Wobble（也称为“Lens Modulation”）是一种通过周期性地改变透镜电流，使图像在屏幕上产生轻微摆动的功能。其主要作用包括：
- 光阑居中：通过观察图像在 wobble 模式下的摆动情况，调整光阑位置，使图像摆动最小，表示光阑已居中。
- 像散校正：在 wobble 模式下，调整像散校正器（Stigmator），使图像摆动最小，表示像散已被校正。
- 束斑对准：辅助调整电子束，使其与光学轴线对齐，确保成像质量。
- 产生原因
- 扫描线圈驱动信号不稳定或受干扰。
- 扫描线圈电路非理想因素，如电感、电阻变化。
- 电子枪或透镜系统机械振动。
- 环境因素（如震动、电磁干扰）影响。
- 影响
- 导致图像畸变、模糊或重复图案出现。
- 影响自动对焦和图像重建的准确性。
- 降低图像的空间分辨率和质量。
- 解决策略
- 精确调校扫描线圈驱动电路，保证信号稳定。
- 使用数字扫描控制技术，减少模拟信号干扰。
- 加强机械稳定性，减少震动。
- 软件层面通过图像校正算法补偿wobble效应。
亮度 + 对比度（自动调整）
此处的问题不是图像后处理增强，而是在扫描电子显微镜（SEM）系统内部或采集流程中，如何自动设定合适的亮度与对比度参数，即实现采集时的亮度对比度自动调节控制。