2.4　場深和焦深

在理想情況下，一定厚度試樣中某一物平面應該與一像平面相對應，亦即物平面上任何一點在像平面上都有一相應的像點。任何偏離該物平面上的物點發出的電子波通過透鏡系統后都將失焦，亦即與之相對應的像點應該位于另一像平面上，其結果是在透鏡系統的原像平面上形成一個失焦圓斑。如若失焦圓斑的大小不大于由衍射和像差引起的圓斑大小，則不會影響透鏡系統的分辨本領。這種物平面允許的軸向偏差被定義為透鏡系統的場深，又稱景深，以Do表示（圖2.13）：

（2-7）

式中,δ為分辨率；α為入射角，一般的電磁透鏡常取為10-2～10-3弧度。如若透鏡系統的成像分辨率為1nm,從式（2-7）計算可得透鏡系統的場深為200～2000nm。這意味著在200nm厚度范圍內，試樣各部分的結構細節都有清晰的圖像，而且允許的分辨率δ越大，場深Do越大。常用透射電鏡的加速電壓為100～200kV，可觀察的試樣厚度約為200nm，在場深范圍之內，因而試樣沿厚度范圍內各平面都有清晰的圖像。顯然，大場深給儀器的聚焦操作帶來方便。

同樣，對給定的透鏡系統物距和像距，當像平面位置在軸向偏離理想像平面位置時，也會引起失焦，產生失焦圓斑。如若失焦圓斑的大小尺寸在衍射和透鏡系統像差引起的圓斑之內，對分辨能力也無影響。透鏡系統像平面允許的軸向偏差被稱為透鏡系統的焦深，用Df表示（圖2.14）：

（2-8）

式中,M為透鏡系統的放大倍數。令分辨率為1nm，入射角為10-2弧度,放大倍數為105，從式（2-8）計算可得Df=1000m。這意味著在像方軸向1000m范圍內的任何平面都有清晰的圖像。這種性能給圖像的照相記錄帶來方便。

與光學玻璃透鏡相比較，電磁透鏡有大得多的場深和焦深，這主要是由于為了減小像差，磁透鏡不得不取很小的孔徑角α。

必須指出，磁透鏡大場深和大焦深的特性固然有利于儀器的方便操作，但是，這種特性卻不利于在透射電鏡中對試樣物質立體結構的分析。實際上，TEM通常只能給出試樣的二維結構分析。在光學顯微鏡中，由于它的場深很小，可以對試樣沿厚度作逐層聚焦，獲得不同平面層的清晰的結構情景，據此可以構建出試樣物質的三維結構。對于透射電鏡，由于大的場深，對其任何深度平面的聚焦，等同于對所有平面的聚焦，亦即各個不同深度的平面都清晰地成像在同一平面上。各層的結構圖像相互重疊，無法構建試樣結構的三維圖像。