浅谈透射电子显微学—透镜的成像原理

电磁透镜与光学显微镜的关系

TEM中的电磁透镜与光学显微镜(VLM)中的玻璃透镜类似，两者在很大程度上具有可比性。例如标准TEM中所有透镜的作用与凸(会聚)透镜对单色光的作用类似。透镜有两个基本功能:

1.把从物体中一点发出的所有光线在像上会聚成一点。

2.把平行光会聚到透镜焦平面上一点。

透镜不可能收集从物体发出的所有光线，而且我们还经常特意使用光阑来限制收集角。可以通过光路图来说明电磁透镜是怎样控制电子束的，这些图与物理光学中的光路图相对应。当然，在某些方面与物理光学的类比是不成立的，但在后续的一些推文中这种对应关系基本是普遍存在的。所以首先回顾一下光学基本原理，在一定程度上它们和电子光学相关。然后将详细讨论电磁透镜，给出电子通过这样一个磁透镜时的轨迹。这里会描述一些实际的透镜，并说明如何在显微镜中使用各种类型的电磁透镜来实现不同的功能。

                          电磁透镜与光学显微镜成像原理图

电磁透镜的最大局限性主要来自于不完善的制作工艺。电磁透镜存在严重的球差和色差，经常需要通过插入限制光阑来选择最靠近光轴的电子，因为它们几乎不受透镜像差的影响。最新的技术进展已经很大程度上克服了像差，但是球差校正电镜仍很少且很贵;大部分电镜仍然要在这些像差的影响下使用。所以很有必要了解这些像差，因为它们决定了可以用电镜做什么和不能什么。尤其是电磁透镜的像差(而不是电子波长)限制着TEM的分辨率(不同于可见光显微镜)。由于分辨率通常是购买TEM的一个最重要原因，因此需要深入理解这个概念。

为什么要了解透镜

为什么要了解电磁透镜呢?与可见光显微镜类似，TEM中的透镜控制着仪器所有的基本操作功能。正如你知道的，在光学显微镜中实际上是通过上下移动玻璃透镜去控制照明系统的强度和图像聚焦的。玻璃透镜的焦距是固定的，因此不得不更换透镜来改变放大倍数，选择强聚焦能力的透镜来实现更高的放大倍数。相反，在TEM中透镜的位置是固定的，但是可以任意改变透镜的聚焦能力。

大多数情况下使用的透镜都是电磁透镜，所以可以通过改变软铁芯上线圈的电流来改变磁场。在TEM中进行的几乎所有操作都包括放大倍数或聚焦的改变，用电磁透镜来实现放大和聚焦电子束，以及成像和获得衍射花样。

这些因素在透镜的基本操作中十分重要，例如成像、衍射和显微分析。一种类型的光阑可以用来选择不同的电子束以形成不同的图像，这样就可以调整图像衬度;另一种类型光阑可以用来选择样品的不同区域以形成不同的衍射花样。

所以通过了解光阑/透镜的协同工作方式有助于理解TEM的控制以及各种操作的内在机制