3.14　扫描电镜图像的几何分辨力与像素

图像的几何分辨力是扫描电镜中最重要的性能指标，对成像而言，它是指能清楚地分辨、识别图像中两个特征点之间最小间距的指标。其主要取决于入射电子束的束斑直径和束流密度，因为只有在足够大的束流密度下，才能选用小的束斑，在信噪比保证的前提下，电子束的束斑直径越小，其分辨能力越高。但图像能分辨的最小间距并不等于入射的束斑直径，因为入射电子束与试样相互作用时除了前面所提到的各种像差所带来的影响，还会使入射束在试样的激发作用区内的有效激发区域略大于入射束的直径。但电子束斑的直径越小，信噪比也就会越差，为了改善小束斑的信噪比，就必须要有足够大的束流密度，要增大束流密度就必须提高入射束的亮度，即增大所发射电子束的束流密度。为此，电镜的电子枪阴极就从最初的钨阴极发展到LaB6阴极，再发展到场发射阴极，这样做的目的是尽量提高电子枪的亮度，即提高入射束的束流密度。

俄歇电子的产额和能量也都比较低，平均自由程又很短，只能来自试样的表面层，而二次电子来自试样的表面和亚表面，因入射电子束刚进入试样的表面和亚表面层时，尚未明显地朝横向扩展开来，可以认为在试样上方检测到的俄歇和二次电子主要是来自与入射束斑直径相当的微小圆柱体内，所以二次电子所形成的图像分辨力最好。

高能入射电子照射在试样上时，试样表面受激发除了产生出俄歇和二次电子，还有其他的多种物理信号，若把这些信号分别采集、放大之后用来作为调制荧屏亮度的输入信号，则它们各自所成的相应图像的分辨力也就有所不同。入射电子进入试样表面以下的部位越深，它们的横向扩展就会越明显，激发区域就会变得越大，其所成的图像分辨力反而会变差。从试样较深处激发出来的背散射电子的能量较高，它们横向扩展后的作用体积大小基本上就是背散射电子的成像最小单元，所以背散射电子像的分辨力比二次电子像的分辨力差。其分辨力的大小也依材料的密度和加速电压的不同而变，通常与二次像的分辨力相比差1.5～3倍，在超轻元素中甚至超过4倍；吸收电流像和阴极荧光像的分辨力与二次电子像的分辨力相比会差1～3个数量级。总之，扫描电镜的图像分辨力除了受入射电子束斑直径和加速电压的大小、各种像差及调制信号的类型影响，还受到被测试样自身的化学组分和电镜间的杂散磁场、机械振动等因素的影响。组成试样的原子序数越小（轻元素），同能量的电子进入试样内部的扩展范围就会越大，所以其几何分辨力也就越差；组成试样的原子序数越大（重元素），密度也会越大，同能量的电子进入试样内部的横向扩展范围就会越小，其几何分辨力一般也就会越高。磁场的存在会影响二次电子的运动轨迹，也会降低成像质量；机械振动和噪声干扰也都会引起电子束斑的偏移和试样颤动，从而有可能会使扫描线重复或使图像出现扭曲、变形、边界模糊，这些外来的干扰因素都会影响，甚至大大降低图像的几何分辨力。

另外，在采集图像时选择合适的扫描行数也很重要，扫描行数的多少决定着所组成的照片像素点的多少。像素点选得太少不仅会直接降低图像的像素分辨率，也会间接地降低图像的几何分辨力；像素点选多了，理论上可提高图像的像素分辨率，但实际上却不一定能提高图像的几何分辨力。因为在采集图像时，为了提高信噪比人们都会采用慢扫描，这时试样的导电性和电子线路的热稳定性就显得很重要。因为在慢扫描采集图像时难免会存在着电子线路中某个元器件的工作点不稳定或者试样的导电性不是很理想等问题引起的图像漂移，若所选的扫描行数太多，还有可能会出现扫描线行与行之间交叉重叠或重复扫描的情况，这样反而会导致图像的实际分辨力下降。若所采集的图像仅用于分析报告或作为论文中的图例，即实际的照片尺寸不大于5英寸时，一般每幅照片选用640×480的像素点就可以了；若实际的照片尺寸为10英寸时，每幅照片选用1 024×768的像素那就够了；若实际的照片尺寸为12英寸时，选用1 280×960的像素也就够了。若所采集的图像要用于制作展示牌或宣传广告等用途，即实际的照片尺寸要放大至大于12英寸时，则每幅照片在采集图片时扫描的行数还应增加，如选用2 048×1 536或2 560×1 920的像素。当然，这要根据所用电镜的计算机图像处理单元的格式来决定。多数扫描电镜的图像像素点可达4k×3k或8k×6k每帧，当前有个别机型的图像像素高达32k×24k每帧。若为了改善图像的清晰度和几何分辨力，最好应根据现场试样的实时情况来选好加速电压、束斑、束流、光栏及扫描行数和行扫时间，而请勿盲目地追加扫描行数。这是因为多数人眼的裸视分辨力一般是0.2mm，再敏锐的人眼裸视分辨力也就是0.15mm。也就是说，在采集扫描电镜的图像时，若只简单地增加扫描行数并不一定能真正地提高图像的分辨力，过多地追加扫描行数有时反而会影响图像的分辨力，这一点和日常生活中我们用数码相机照相还是有所区别的。