CN106645250A - 一种具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜，包括：产生电子束的电子源、对电子束进行偏转和聚焦的电子光学镜筒、位于电子光学镜筒下方的真空腔室，真空腔室内设有样品载台；以及位于真空腔室下方的光学成像及照明装置；真空腔室内还包括：位于样品载台下方的、与定位装置相连的可移动台，可移动台上设有光学镜头和第一电子探测器，定位装置设于真空腔室内壁上，控制可移动台在水平和竖直方向移动；真空腔室底部设有一可视窗口，用于光学镜头与光学成像及照明装置进行光路互连；电子光学镜筒底部还设有第二电子探测器。本发明可实现光学观测与SEM观测同步进行，且可在光学观测与STEM观测之间快速切换。
Description
技术领域
本发明涉及电子显微镜技术领域，尤其涉及一种具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜。
背景技术
光学显微镜作为一种常用的观测设备，已经广泛应用于材料科学、生命科学、化学等各个科研及工业领域。光学显微镜观测具有如下优点：试样制备简单方便，一般不需要进行特殊处理；不需要高真空等严格的观测条件；图像直观易懂。然而，由于光学观测受到衍射极限的限制，光学显微镜的最高分辨率一般为半个波长(约200nm)。因此，当需要作更高分辨率的观测时，需要借助电子显微镜等其它工具。
电子显微镜，如：扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)，扫描透射电子显微镜(STEM)在20世纪60年代获得应用，由于其使用被加速的高能电子作为观测粒子，由德布罗意的物质波理论，电子显微镜通常具有比光波更短的波长，因此电子显微镜比光学显微镜拥有更高的分辨率。其中，SEM呈现的一般是样品表面的形貌、成分等信息，不能对样品的内部信息进行探测；TEM具有比SEM更高的分辨率，其所需要观测的样品为超薄的样品(约100nm)；STEM具有SEM和TEM的综合特点，其能够观测样品内部的信息，与TEM相比能够适用于更厚的样品(约1um)。因此，STEM经常用于对各种材料(如：生物组织)薄片样品进行观测。
通常情况下对同一样品进行观测时，需要借助不同的观测方法，例如：通常使用光学显微镜对样品进行观测，利用光学显微镜的直观性寻找要观察的目标区域，然后再使用电子显微镜等高分辨率的仪器对目标区域进行更细致的观测。然而，对样品在不同仪器间进行切换观测时通常存在以下几个问题：样品需要在不同观测仪器间进行移动，此过程有可能改变或损坏样品；重新定位观测目标有困难，由于光学图像与电子显微镜图像存在差异，在电子显微镜中重新定位光学显微镜下的待观测目标有困难，如：对于荧光标记的生物样品，荧光标记位置在光学显微镜下才容易观察到，而在扫描电镜下很难找到；无法实现快速切换或实时同步观测，对于某些样品或特殊观测需要难以满足，如：观测生物变化或化学变化的动态过程等。由以上可知，需要一种能够结合光学显微镜与电子显微镜进行观测的系统或装置，以实现光学显微镜与电子显微镜的同步观测或快速切换观测。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜，可实现光学观测与SEM观测同步进行，且可在光学观测与STEM观测之间快速切换。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜，包括：产生电子束的电子源、对所述电子束进行偏转和聚焦的电子光学镜筒、位于所述电子光学镜筒下方的真空腔室，所述真空腔室内设有样品载台；以及位于所述真空腔室下方的光学成像及照明装置；
所述真空腔室内还包括：位于所述样品载台下方的、与定位装置相连的可移动台，所述可移动台上设有光学镜头和第一电子探测器，所述定位装置设置于所述真空腔室的内壁上，控制所述可移动台在水平和竖直方向移动；
所述真空腔室底部设有一可视窗口，用于所述光学镜头与所述光学成像及照明装置进行光路互连；所述电子光学镜筒底部还设有第二电子探测器。
可选的，所述第一电子探测器为透射电子探测器；
所述第二电子探测器为：二次电子探测器、或背散射电子探测器、或气体探测器。
可选的，所述可视窗口由透明薄膜材料组成。
可选的，所述透明薄膜材料为：二氧化硅、或氮化硅。
可选的，所述样品载台由位移装置和设置于该位移装置上的样品载片组成，所述位移装置用于在水平和竖直方向移动；
所述样品载片为一具有孔阵列的透明薄膜，所述孔的形状包括但不限于：矩形、圆形。
可选的，所述样品载片由透明材料组成。
可选的，所述样品载片的厚度量级为：百纳米量级～百微米量级。
一个实施例中，所述样品载台的上方还设有光学探测器，用于对透过样品的光信号进行接收成像。
可选的，所述光学探测器的形状为环形。
可选的，所述光学探测器为：电荷耦合器件(CCD)、或功率计。
可选的，所述定位装置控制所述可移动台上的所述光学镜头位于所述电子束所在的光轴方向上时，所述扫描透射电子显微镜用于同时进行光学观测与SEM观测；
所述定位装置控制所述可移动台上的所述第一电子探测器位于所述电子束所在的光轴方向上时，所述扫描透射电子显微镜用于STEM观测。
其中，所述定位装置控制所述可移动台上下移动，用于调节所述光学镜头的聚焦以及调节所述第一电子探测器接收透射电子的角度。
本发明实施例提供的具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜，包括：产生电子束的电子源、对电子束进行偏转和聚焦的电子光学镜筒、位于电子光学镜筒下方的真空腔室，真空腔室内设有样品载台；以及位于真空腔室下方的光学成像及照明装置；真空腔室内还包括：位于样品载台下方的、与定位装置相连的可移动台，可移动台上设有光学镜头和第一电子探测器，定位装置设置于真空腔室的内壁上，控制可移动台在水平和竖直方向移动；真空腔室底部设有一可视窗口，用于光学镜头与光学成像及照明装置进行光路互连；电子光学镜筒底部还设有第二电子探测器。可见，本发明实施例的扫描透射电子显微镜可实现光学观测与SEM观测同步进行，也可实现光学观测与STEM观测的快速切换观测。所述切换观测的实现方式为：通过定位装置114控制可移动台113进行移动，调节光学镜头或第一电子探测器到光学轴线上，由于调节定位装置的操作简单易实现，因此本发明可在光学观测与STEM观测之间实现快速切换。
附图说明
图1为本发明实施例所述具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜处于光学观测与SEM观测同步进行模式时的侧面剖视图；
图2为本发明实施例所述具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜处于STEM观测模式时的侧面剖视图；
图3a为本发明实施例所述样品载片的立体结构示意图；
图3b为本发明实施例所述样品载片的侧视图；
图3c为本发明实施例所述样品载片的俯视图。
具体实施方式
由以上背景技术的讨论可知，需要一种能够结合光学显微镜与电子显微镜进行观测的系统或装置，相关技术中提出了一些关于光学观测与电子显微镜观测相结合的方法，例如：可将光学显微镜放入SEM的真空样品室中，实现了光学与SEM的联合探测；还有的将光学结构(镜头等)全部或部分的放入SEM的真空样品室中，实现了光学观测与SEM观测同时进行或切换。
本发明提供了一种具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜，如图1所示，所述扫描透射电子显微镜100包括：产生电子束的电子源104、对所述电子束进行偏转和聚焦的电子光学镜筒101、位于所述电子光学镜筒下方的真空腔室102，所述真空腔室102内设有样品载台；以及位于所述真空腔室102下方的光学成像及照明装置103；
所述真空腔室102还包括：位于所述样品载台下方的、与定位装置114相连的可移动台113，所述可移动台113上设有光学镜头112和第一电子探测器111，所述定位装置114设置于所述真空腔室102的内壁上，控制所述可移动台113在水平和竖直方向移动；所述真空腔室102底部设有一可视窗口115，用于所述光学镜头112与所述光学成像及照明装置103进行光路互连；所述电子光学镜筒101底部还设有第二电子探测器116。
实际应用时，所述电子光学镜筒101内一电子束105从电子源104发出，在电子光学镜筒101中经偏转装置106和电磁透镜107等元件的偏转和会聚等作用，形成一极细的电子束，照射到真空腔室102中的样品108上。样品108装载在样品载台上，所述样品载台由位移装置110和设置于该位移装置110上的样品载片109组成，所述位移装置110可在水平和竖直方向移动(三维移动)。
本发明实施例中，所述第一电子探测器111为透射电子探测器；与所述光学镜头112共同安装在可移动台113上，所述定位装置114控制所述可移动台113上的所述光学镜头112位于所述电子束所在的光轴方向(图1中竖直虚线所示)上时，所述扫描透射电子显微镜用于同时进行光学观测与SEM观测；所述定位装置114控制所述可移动台113上的所述第一电子探测器111位于所述电子束所在的光轴方向上时，所述扫描透射电子显微镜用于STEM观测。
这里，所述定位装置114可通过位移台或压电平台等实现。
本发明实施例中，所述定位装置114控制所述可移动台113上下移动，用于所述光学镜头112的聚焦以及调节所述第一电子探测器111接收透射电子的角度。
本发明实施例中，所述第二电子探测器可为：二次电子探测器、或背散射电子探测器、或气体探测器。在实际应用时，所述探测器的形状可以是环形。
本发明实施例中，所述可视窗口115由透明薄膜材料组成，例如：二氧化硅、或氮化硅等高强度透明材料，对光具有透明性，且又能够承受真空腔室102内外的压强差。
本发明一实施例中，所述样品载片109为一具有孔阵列的透明薄膜，如图3所示，所述孔的形状包括但不限于：矩形、圆形等等。所述样品载片109由透明材料组成，优选氮化硅或二氧化硅薄膜。为了减小光学镜头的工作距离而适应大倍数光学物镜的观测，所述样品载片109的厚度量级为：百纳米量级～百微米量级，即：样品载片109的优选厚度为几百微米，更优选厚度为几十微米，最优选厚度为几微米或百纳米。
本发明实施例所述具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜具备两种工作模式，如图1中所示为：光学观测和SEM观测同时进行的模式，此时定位装置114控制可移动台113进行移动，使得光学镜头112移动到光学轴线上，控制位移装置110对样品进行水平移动寻找要观测目标，例如：利用光学成像(光学观测)寻找生物样品中的荧光蛋白位置，随后利用SEM观测对要观测的位置进行更精确成像，即：使用电子光学镜筒101下方的第二电子探测器116进行信号采集。应用过程中，实现光束(光学成像及照明装置103发出)与电子束同时对样品对焦的方法是：协同调节样品和光学镜头112在竖直方向上的相对位置，同时调节电磁透镜107对电子束的聚焦能力，使得电子束的焦点与光束的焦点同时重合于样品上，同时实现了样品的扫描电子显微镜成像与光学成像。
本发明另一实施例中，如图2中所示，所述具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜处于STEM观测模式，此时定位装置114控制可移动台113的移动，将第一电子探测器111移动到光学轴线上，对透过样品的电子220进行接收,从而实现STEM成像，对样品切换到STEM成像是在利用光学镜头112对样品完成目标寻找后实现的。另外，结合图1、2所示，所述第二电子探测器116也可以对在样品上表面出射的二次电子或背散射电子221进行成像。
可见，本发明实施例的扫描透射电子显微镜可实现光学观测与SEM观测同步进行，也可实现光学观测与STEM观测的快速切换观测。所述切换观测的实现方式为：通过定位装置114控制可移动台113进行移动，调节光学镜头112或第一电子探测器111到光学轴线上，由于调节定位装置114的操作简单易实现，因此本发明可在光学观测与STEM观测之间实现快速切换。
可选的，本发明一实施例中，所述样品载台的上方还设有光学探测器117，对透过样品的光信号进行接收成像，所述光学探测器的形状可选为环形。实际应用时，所述光学探测器可选为：CCD、或功率计等。
结合附图1、2可以看出，本发明实施例提出的光学观测主要有两种实现方式，第一种方式(必选观测方式)为：同轴照明方式下的反射式观测，即光学成像及照明装置103中的光源(普通光源或激光器)发出的光从真空腔室102底部的可视窗口115透过对样品进行照明，同时使用光学成像及照明装置103中的光学接收装置(如：CCD)对反射回的光进行接收成像；
第二种方式(可选观测方式)为：光学成像及照明装置103中的光源(普通光源或激光器)发出的光透过可视窗口115，再经过光学镜头112汇聚到样品上，由样品上方的光学探测器117对透过样品的光进行接收成像或功率探测。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种具备光学成像功能的扫描透射电子显微镜，包括：产生电子束的电子源、对所述电子束进行偏转和聚焦的电子光学镜筒、位于所述电子光学镜筒下方的真空腔室，所述真空腔室内设有样品载台；以及位于所述真空腔室下方的光学成像及照明装置；其特征在于，
所述真空腔室内还包括：位于所述样品载台下方的、与定位装置相连的可移动台，所述可移动台上设有光学镜头和第一电子探测器，所述定位装置设置于所述真空腔室的内壁上，控制所述可移动台在水平和竖直方向移动；
所述真空腔室底部设有一可视窗口，用于所述光学镜头与所述光学成像及照明装置进行光路互连；所述电子光学镜筒底部还设有第二电子探测器。
2.根据权利要求1所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，
所述第一电子探测器为透射电子探测器；
所述第二电子探测器为：二次电子探测器、或背散射电子探测器、或气体探测器。
3.根据权利要求1所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，所述可视窗口由透明薄膜材料组成。
4.根据权利要求3所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，所述透明薄膜材料为：二氧化硅、或氮化硅。
5.根据权利要求1所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，所述样品载台由位移装置和设置于该位移装置上的样品载片组成，所述位移装置用于在水平和竖直方向移动；
所述样品载片为一具有孔阵列的透明薄膜，所述孔的形状包括但不限于：矩形、圆形。
6.根据权利要求5所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，所述样品载片由透明材料组成。
7.根据权利要求5所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，所述样品载片的厚度量级为：百纳米量级～百微米量级。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，所述样品载台的上方还设有光学探测器，用于对透过样品的光信号进行接收成像。
9.根据权利要求8所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，所述光学探测器的形状为环形。
10.根据权利要求8所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，所述光学探测器为：电荷耦合器件CCD、或功率计。
11.根据权利要求1-7中任一项所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，
所述定位装置控制所述可移动台上的所述光学镜头位于所述电子束所在的光轴方向上时，所述扫描透射电子显微镜用于同时进行光学观测与扫描电子显微镜SEM观测；
所述定位装置控制所述可移动台上的所述第一电子探测器位于所述电子束所在的光轴方向上时，所述扫描透射电子显微镜用于扫描透射电子显微镜STEM观测。
12.根据权利要求1-7中任一项所述的扫描透射电子显微镜，其特征在于，所述定位装置控制所述可移动台上下移动，用于调节所述光学镜头的聚焦以及调节所述第一电子探测器接收透射电子的角度。
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