3.18　焦点深度（景深）

焦点的深度是指一个透镜对试样表面高低不平的各部位都能同时聚焦成像的纵向范围，也就是指焦点附近上下最清晰图像区域的那一段小区间，通常被称为景深或焦深。它是试样表面到物镜光栏距离的函数。在同样的放大倍率和同样的物镜光栏孔径下，试样离物镜下极靴越近，即工作距离越短，景深越浅，但像差会减小，并且图像的信噪比和分辨力能得到改善；反之，试样距离物镜下极靴越远，即工作距离越长，景深就越深，但像差会增大，并且图像的信噪比和分辨力会下降。在同样放大倍率的图像中，扫描电镜的景深比光学显微镜和透射电镜都深得多，所以扫描电镜拍摄得到的图像立体感就比较强。立体感强的图像是一种很有价值的信息，特别是在分析那种表面凹凸起伏较大的试样时（如金属、陶瓷、水泥和塑料断口等材料）十分有优势。

由于入射束的圆锥顶角取决于孔径角，孔径角越大，圆锥角越大，景深会相应变浅。因此，扫描电镜的末级透镜常采用小孔径角，长焦距，可以获得尽可能大的景深，如在1 000倍的情况下，SEM的景深比TEM约大10倍，比金相显微镜大200～300倍。对于表面粗糙的断口试样，若采用金相显微镜观察，则因景深太浅而很难有好的效果，而透射电镜对常见的断口试样需蒸镀碳膜复形，这既麻烦又有可能会使图像产生附加的假象和失真，而且其景深也不如扫描电镜，因此用扫描电镜来观察和分析断口试样，具有其他常用微观分析手段难以比拟的优势。扫描电镜的景深如图3.18.1所示，景深L可以用下面的公式表示：

式中，L是景深；M是放大倍率；d是入射束的束斑直径；r是人眼的分辨力约0.2mm；2α是物镜的孔径角。

图3.18.1　扫描电镜的景深示意图

从上式我们可得出：景深L主要取决于放大倍率和物镜光栏的孔径，若选用小孔径的光栏或低的放大倍率，景深就越深，立体感就越强。当忽略了入射束斑直径d之后，景深L的公式就可简化为：

L=±r/2αM

由此可见入射束的孔径角（物镜光栏）是决定扫描电镜景深的一个主要因素，它取决于物镜的光栏孔径和WD。图3.18.2为景深与工作距离和物镜光栏孔径大小的关系示意图。从图中我们也可以形象并直观地看出在同样的工作距离下，光栏的孔径越小，景深越深，光栏的孔径越大，景深越浅；在同样的光栏孔径下，工作距离越短，景深越浅，工作距离越长，景深越深。从图3.18.3可看到在WD=5mm时只有上表面聚焦，而在图3.18.4中当WD=15mm时上下表面几乎都能聚焦。目前TECSAN公司生产的扫描电镜带有一种“大景深模式”的成像功能，当启用这种功能时，通过其特有中间镜的调节，在低倍率下，其最大的有效景深可达7mm。

图3.18.2　景深与工作距离和光栏孔径大小的关系

图3.18.3　在WD=5mm时只有上表面聚焦

图3.18.4　在WD=15mm时上下表面几乎都能聚焦