2.2　電子透鏡及其像差

2.2.1　靜電透鏡和磁透鏡

欲將從試樣發出的各種電子信號成像，就需要一種裝置，它能使運動中的電子“轉彎”，沿著預定的“軌道”運動并聚集。這種裝置稱為電子透鏡。它的作用，相當于光學顯微鏡中的玻璃透鏡，使電子束聚焦成像。

電子透鏡分為靜電透鏡和磁透鏡兩種類型。

電子光學研究表明，靜電透鏡的某些特性劣于磁透鏡，所以在近代電鏡中，靜電透鏡只用于電子槍部分，而成像和像放大部分則采用磁透鏡。

2.2.2　電子透鏡的像差

一個理想的電子透鏡，應該使從同一個物點發出的電子經過透鏡作用后能會聚在相應的同一個像點上。然而，實際上任何電子透鏡都不可能使一點發出的具有不同運動軌跡的電子都會聚到同一個點。這使得實際像點變得模糊或失真。這是因為與光學透鏡一樣，電子透鏡也存在像差。根據成因的不同，電子光學將電子透鏡像差分為球差、色差、像散差（簡稱像散）、彗差和畸變等幾種。

（1）球差　球差又稱球面像差。由于磁透鏡本身固有的原因，近軸磁場對運動電子的折射能力比起遠軸磁場要弱。因此，從同一物點發出的眾多電子中，具有大孔徑角的電子（常稱遠軸光）將會聚得距離透鏡較近，而小孔徑角電子（常稱近軸光）則會聚得較遠，亦即它們不是會聚在光軸的同一點上，如圖2.5所示。因此，在原來理想的像點處形成了一個彌散的小球，在理想像點垂直于光軸的平面上則呈現為一個彌散圓。這種像差稱為球差。

球差可以用球差彌散圓半徑來量度，它是指在傍軸光形成的像平面（也稱高斯像平面）上彌散圓斑的半徑。也可用縱向球差來量度球差，它是指傍軸光形成的像點與遠軸光形成的像點之間的距離。電子光學理論計算表明，球差的大小與孔徑角的三次方成正比。將像平面上的彌散圓斑折算到物平面時，與原物點相對應的是一個散射圓斑，其直徑ds用式（2-1）表示：

ds=Csα3

（2-1）

式中，Cs為球差系數；α為透鏡的孔徑角。

顯而易見，球差所產生的圓斑ds限制了電子顯微鏡的分辨率。欲提高分辨率必須減小孔徑角α的大小，亦即使用小的光闌孔徑。這并不難做到。然而，分辨率還受到電子波衍射的限制，光的衍射效應要求使用大孔徑角。可見球差和衍射效應對孔徑角的大小有著相反的要求。為了保證獲得一定的分辨率，電鏡設計工作者應力求減小球差系數。對于儀器使用者而言，并無任何方法可以減小球差。

（2）色差　從同一物點發出的眾多電子經過加速電壓和磁透鏡作用后，可能有著不同的運動速度（相應不同的德布羅意波波長）。因此，它們通過磁透鏡后將不可能會聚在同一個像點，產生了所謂色散差，簡稱色差，如圖2.6所示。這種色差又稱軸向色差。電子束加速電壓和磁透鏡電流的任何變化都是產生色差的來源。色差將導致圖像模糊不清。顯而易見，電鏡工作者應該盡可能保證電源的穩定供電。

色差的另一個來源是試樣物質對電子束產生的非彈性散射。運動電子與試樣物質相互作用時，有的發生彈性碰撞，碰撞后電子不散失能量；有的發生非彈性碰撞，碰撞后電子失去部分能量，運動速度發生改變（速度減小）。這些電子通過物鏡后將成像在不同的像平面上。這種色差稱為倍率色差。圖2.7為產生這種色差的光路圖。

顯而易見，減小試樣厚度有利于減小倍率色差。

色差可用色散圓斑半徑rc來量度：

（2-2）

式中,Cs為色散系數；α為透鏡孔徑半角；為成像電子束能量變化率。

（3）像散差　像散差的存在同樣會導致劣質圖像的出現。這種像差的大小常常與電鏡操作人員對儀器工作狀態是否做到正確的校正和調節直接相關。

像散差主要來源于儀器中實際使用的透鏡與理論設計透鏡之間的差距。實際制作的透鏡不可能制成完全軸對稱的。制作材料成分和結構的不均勻、機械加工的誤差、上下極靴之間的配合不同軸、幾個透鏡之間的不良合軸以及對機件的污染等都會造成透鏡電磁場分布的不對稱，導致透鏡在某一方位的聚焦能力較強一些，而在與之相垂直的方位，聚焦能力弱一些。圖2.8為像散差形成光路圖。圖2.8中含有斜線的透鏡平面聚焦能力較強，對物點發出的電子束聚集在距離透鏡較近處，而與之相垂直平面上的電子則被會聚在較遠處，兩點之間有一距離za。這種由于透鏡性能的非軸對稱而引起的像差稱為像散差。za可作為其大小的量度。一物點的圖像僅在約za的1/2處形成一個彌散圓斑，而在其他位置顯示的是橢圓形的像。

電鏡中都安裝有消像散器。它實際上是一個圓柱面透鏡，由面對稱的電場或磁場組成，用來校正透鏡中存在的非軸對稱性。正確的合軸和消像散操作能保證將像散差減小到最低程度。

（4）彗差　彗差（彗星形像差）也是影響圖像質量的像差，表現為呈一簇大小不同圓斑的散射圓。彗差的大小與透鏡極靴的結構和合軸有關。

（5）畸變　畸變是一種不影響圖像分辨率，不會導致圖像模糊的像差。磁透鏡對傍軸光的聚焦能力劣于對遠軸光的聚焦能力，在物鏡中主要產生球差，而對投影鏡則產生畸變。圖2.9顯示幾種畸變形成的圖形[4]。畸變主要出現在低放大倍數的情況。儀器如若采用三級放大系統，可實現無畸變放大。