CN112185225A - 扫描电镜探测器的成像效果演示装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扫描电镜探测器的成像效果演示装置及方法，属于演示教具技术领域。扫描电镜探测器的成像效果演示装置，包括：第一箱体、第二箱体、第一光源以及第二光源，第一箱体的一侧表面开设有第一通孔，第二箱体通过第一通孔与第一箱体连通设置，第二箱体背离第一箱体的一侧表面开设有第二通孔，第二通孔与第一通孔同轴设置，第一箱体内用于设置对应于第一通孔的演示样品，第一光源设置于第一箱体内，第二光源设置于第二箱体内，第一光源和第二光源分别向演示样品出射光束，用于模拟扫描电镜内不同探测器的成像效果。该申请能够对不同位置的扫描电镜探测器的成像效果进行模拟和演示，便于比较分析不同位置的扫描电镜探测器的成像特点。

Description

扫描电镜探测器的成像效果演示装置及方法

技术领域

本发明涉及演示教具技术领域，具体而言，涉及一种扫描电镜探测器的成像效果演示装置及方法。

背景技术

扫描电子显微镜(简称扫描电镜)目前广泛应用于材料科学、生命科学、失效分析等诸多领域，用于反映样品的微观形貌和成分等诸多信息，功能强大、应用广泛。当入射电子束照射在样品上时，入射电子束能够在扫描电圈的控制下对样品进行扫描，而入射电子在扫描时会使样品激发出背散射电子、二次电子等，样品激发出的电子经过反射或直接入射后被对应的探测器接收，进而实现对样品的成像。

如今的场发射电镜，会设置至少两个电子探测器，按其安装位置可以大致分为样品仓内探测器和物镜内探测器。样品仓内探测器安装在物镜下方的样品仓内，它获取的图像更有立体感，但是分辨率稍差。物镜内探测器位于物镜内或物镜侧上方，所获图像的立体感和阴影效应通常不如仓内探测器，但是它分辨率更好、边缘效应更明显、能显示高空间分辨率的衬度细节。

然而，由于扫描电镜的成像原理相对复杂，从信号产生到被探测，都蕴含较深的物理原理。而且在扫描电镜中，探测器位置不同，获得的图像也显著不同，反映样品的特征也不同。解释图像的形成需要较多的抽象知识和分析过程。对于不了解扫描电镜的人而言，这存在一定难度。这些都需要一种方法和装置模拟和演示探测器对成像效果的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扫描电镜探测器的成像效果演示装置及方法，能够对不同位置的扫描电镜探测器的成像效果进行演示，便于比较分析不同位置的扫描电镜探测器的成像特点。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例的一方面，提供一种扫描电镜探测器的成像效果演示装置，包括：第一箱体、第二箱体、第一光源以及第二光源，第一箱体的一侧表面开设有第一通孔，第二箱体通过第一通孔与第一箱体连通设置，第二箱体背离第一箱体的一侧表面开设有第二通孔，第二通孔与第一通孔同轴设置，第一箱体内用于设置对应于第一通孔的演示样品，第一光源设置于第一箱体内，第二光源设置于第二箱体内，第一光源和第二光源分别向演示样品出射光束。

可选地，第二箱体背离第二通孔的一侧形成有圆台形束光筒，束光筒伸入于第一箱体内且其光轴与第一通孔同轴，束光筒的小口朝向背离第二通孔的方向。

可选地，第一箱体的内表面为漫反射表面。

可选地，第一箱体的内表面涂覆有漫反射材料。

可选地，第一箱体的内表面贴附有铝箔。

可选地，第一光源为泛光光源。

可选地，第一光源和第二光源分别采用手电筒或LED灯。

可选地，第二通孔处对应设置有成像记录装置，成像记录装置的光轴与第二通孔同轴，用于接收经演示样品反射后由第二通孔出射的光束并进行成像。

可选地，成像记录装置包括观察窗、相机和手机中的任一种。

本发明实施例的另一方面，提供一种扫描电镜探测器的成像效果演示方法，采用上述任意一项的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，该方法包括：

启动第一光源和/或第二光源，以照射演示样品；

接收经演示样品反射后由第二通孔出射的光束，以模拟和演示扫描电镜中的样品仓和/或物镜内探测器的成像效果。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的一种扫描电镜探测器的成像效果演示装置，包括第一箱体、第二箱体、第一光源以及第二光源。其中，第一箱体的一侧表面开设有第一通孔，第二箱体通过第一通孔与第一箱体连通设置，第二箱体背离第一箱体的一侧表面开设有第二通孔，第二通孔与第一通孔同轴设置。第一光源设置在第一箱体内，第二光源设置在第二箱体内。在实际应用中，可以将演示样品设置于第一箱体内。通过调整演示样品的位置，使其能够位于第一通孔在第一箱体底部的正投影内，然后利用第一光源和第二光源能够分别向演示样品出射光束。当通过第一光源照射演示样品时，第一光源出射的光束能够经演示样品反射后经由第一通孔以及第二通孔出射，因此，通过接收由第二通孔出射的光束后得到的成像，根据光路可逆原理可以看作是经由第二通孔和第一通孔入射到演示样品上的光束经演示样品反射在第一光源位置处所成的像。由于第一光源位于放置样品的第一箱体内，因此第一光源位置处的成像可类比为样品仓内探测器接收电子束后对应的成像，即此时接收由第二通孔出射的光束后得到的成像的效果与电镜样品仓内探测器对应的成像相同。同理，当通过第二光源照射演示样品时，接收由第二通孔出射的光束后得到的成像的效果与电镜物镜内探测器接收电子束后对应的成像相同。当通过第一和第二光源同时照射演示样品时，通过观察装置可以记录样品仓内探测器和物镜内探测器的混合演示效果，即演示了电镜仓内探测器和物镜内探测器两种信号的混合。因此，通过该装置，能够简便的类比演示出扫描电镜的物镜内探测器和样品仓内探测器的成像效果，并且该装置结构相对简单成本较低，便于在教学演示中进行应用。另外，由于该装置能够演示出物镜内探测器和样品仓内探测器的成像效果，因此，通过该装置能够更加方便的对扫描电镜中，不同位置的探测器对应的成像效果之间的区别进行比较分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的扫描电镜探测器的成像效果演示装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的扫描电镜探测器的成像效果演示装置的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的扫描电镜探测器的成像效果演示方法的流程示意图。

图标：110-第一箱体；120-第二箱体；130-第一光源；140-第二光源；150-演示样品；160-束光筒；170-成像记录装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种扫描电镜探测器的成像效果演示装置，如图1所示，包括：第一箱体110、第二箱体120、第一光源130以及第二光源140，第一箱体110的一侧表面开设有第一通孔，第二箱体120通过第一通孔与第一箱体110连通设置，第二箱体120背离第一箱体110的一侧表面开设有第二通孔，第二通孔与第一通孔同轴设置，第一箱体110内用于设置对应于第一通孔的演示样品150，第一光源130设置于第一箱体110内，第二光源140设置于第二箱体120内，第一光源130和第二光源140分别用于向演示样品150出射光束。

该装置，根据光路可逆原理，其用于放置演示样品150的第一箱体110可以类比为扫描电镜的样品仓，而第一光源130可类比为样品仓内探测器。设置有用于出光的第二通孔的第二箱体120可以类比为扫描电镜的物镜镜筒(扫描电子扫描镜的镜筒发射和准直电子束)，而第二光源140可类比为物镜内探测器。

在实际应用中，该装置还可以在第一箱体110内对应于第一通孔的正投影内设置固定装置或定位装置，以对演示样品150进行固定和定位。使演示样品150再设置时能够更加便捷，且能够更容易对应于第一通孔进行设置，以避免因演示样品150设置的位置不准确而导致演示效果较差的问题。当然，在本发明的其他实施例中，还可以将演示样品150作为该装置的部件固定或可拆卸的设置在第一箱体110内，以提升该装置最终的演示效果。

其中，演示样品150可以选用表面凹凸不平或具有孔洞的物体，从而使最终得到的对应于第一光源130和第二光源140的两个成像画面之间能够具有更多可用于比较分析的特征，便于对比两者的成像效果差异，从而更好的展现扫描电镜的物镜内探测器和样品仓内探测器各自的成像特点。

需要说明的是，在实际应用中，可以直接通过人眼在第二通孔处对演示样品150进行观察(即接收经演示样品150反射后由第二通孔出射的光束)。还可以通过成像设备等接收第二通孔出射的光束以进行成像，便于对成像的画面进行保存。因此，在本发明实施例中，对于如何接收第二通孔出射的光束并成像此处不做限制。其中，还可以通过在第二通孔上覆盖透明盖(即制作观察窗)，从而避免灰尘杂物等进入第一箱体110或第二箱体120内。

本发明实施例提供的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，包括第一箱体110、第二箱体120、第一光源130以及第二光源140。其中，第一箱体110的一侧表面开设有第一通孔，第二箱体120通过第一通孔与第一箱体110连通设置，第二箱体120背离第一箱体110的一侧表面开设有第二通孔，第二通孔与第一通孔同轴设置。第一光源130设置在第一箱体110内，第二光源140设置在第二箱体120内。在实际应用中，可以将演示样品150设置于第一箱体110内。通过调整演示样品150的位置，使其能够位于第一通孔在第一箱体110底部的正投影内，然后利用第一光源130和第二光源140能够分别向演示样品150出射光束。当通过第一光源130照射演示样品150时，第一光源130出射的光束能够经演示样品150反射后经由第一通孔以及第二通孔出射，因此，通过接收由第二通孔出射的光束后得到的成像，根据光路可逆原理可以看作是经由第二通孔和第一通孔入射到演示样品150上的光束经演示样品150反射在第一光源130位置处所成的像。由于第一光源130位于放置样品的第一箱体110内，因此第一光源130位置处的成像可类比为样品仓内探测器接收电子束后对应的成像，即此时接收由第二通孔出射的光束后得到的成像的效果与样品仓内探测器对应的成像相同。同理，当通过第二光源140照射演示样品150时，接收由第二通孔出射的光束后得到的成像的效果与物镜内探测器接收电子束后对应的成像相同。因此，通过该装置，能够简便的类比演示出扫描电镜的物镜内探测器和样品仓内探测器的成像效果，并且该装置结构相对简单成本较低，便于在教学演示中进行应用。另外，由于该装置能够演示出物镜内探测器和样品仓内探测器的成像效果，因此，通过该装置能够更加方便的对扫描电镜中，不同位置的探测器对应的成像效果之间的区别进行比较分析。

可选地，如图2所示，第二箱体120背离第二通孔的一侧形成有圆台形束光筒160，束光筒160伸入于第一箱体110内且其光轴与第一通孔同轴，束光筒160的小口朝向背离第二通孔的方向。

其中，束光筒160可类比为扫描电镜的物镜(对电子束进行最终会聚，实际上物镜内还可能有光阑，对电子束的会聚角进行控制)。通过设置的束光筒160，能够对第二光源140出射的光束的发散角进行限制，以使第二光源140照射在演示样品150上的光束的发散角较小，从而能够更好的模拟出样品激发出的低起飞角的背散射电子被扫描电镜的物镜的极靴所阻挡，而无法被物镜内探测器接收的现象，从而提高该装置对物镜内探测器的成像的演示效果。

可选地，第一箱体110的内表面为漫反射表面。

通过第一箱体110的内表面设置为漫反射表面，能够使第一光源130出射的光束能够经过漫反射照射到演示样品150背离第一光源130的一侧，从而使最终能够得到更加完整地演示样品150的成像。并且，通过第一光源130出射的经第一箱体110的内表面漫反射而照射在演示样品150上的部分光路，能够较好地模拟出扫描电镜由物镜入射的电子束对样品扫描时，样品激发出的低起飞角的背散射电子在样品仓内的漫反射效果，从而提高该装置对样品仓内探测器的成像的演示效果。

在实际应用中，实现第一箱体110内表面为漫反射表面的具体方式，可以是在第一箱体110内表面设置涂层、薄膜等，还可以采用漫反射材料制作第一箱体110等，此处不做限制。

示例地，第一箱体110的内表面通过涂覆漫反射材料，实现漫反射。该方式，成本较低，且实现方式相对容易。

示例地，第一箱体110的内表面还可以通过贴附哑光铝箔膜层，实现漫反射。该方式效果较好，且便于取材。

可选地，第一光源130为泛光光源。

通过将第一光源130设置为泛光光源，能够利用第一光源130出射的光线的光路更好的模拟出扫描电镜由物镜入射的电子束对样品扫描时，样品激发出的低起飞角的背散射电子在样品仓内的漫反射效果。并且，当第一箱体110的内表面设置为漫反射表面时，能够进一步提高第一箱体110内的漫反射效果。

可选地，第一光源130和第二光源140均采用手电筒。

其中，第二光源140可以将出射光束的发散角调节的小于第一光源130出射光束的发散角，当然，本领域技术人员还可以对第一光源130和第二光源140的发散角进行其他设置，此处不做限制。

可选地，如图2所示，第二通孔处对应设置有成像记录装置170，成像记录装置170的光轴与第二通孔同轴，用于接收经演示样品150反射后由第二通孔出射的光束并进行成像。

通过成像记录装置170进行成像，能够将成像的画面保存起来，从而使对应于第一光源130的成像画面和对应于第二光源140的成像画面之间的比较分析更加直观和方便。

当然，为了简化装置，降低该装置的成本，成像记录装置170也可以由人眼替代，由人眼直接观察演示样品。

可选地，成像记录装置170包括相机和手机中的任一种。

其中，相机可以是CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)相机、普通数码相机、胶片相机等，此处不做限制。通过采用相机或手机做为成像记录装置170，成本相对较低，且易于获得。

本发明实施例的另一方面，提供一种扫描电镜探测器的成像效果演示方法，采用上述任意一项的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，如图3所示，该方法包括：

S101：启动第一光源130和/或第二光源140，以照射演示样品150。

S102：接收经演示样品150反射后由第二通孔出射的光束，以模拟和演示扫描电镜中的样品仓和/或物镜内探测器的成像效果。

需要说明的是，在实际应用中，当演示样品150需要自行设置时，在上述步骤之前，还可以包括对演示样品150进行设置，以使演示样品150设置于第一箱体110内并对应于第一通孔。

综上，可以采用本实施例提供的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，对扫描电镜的物镜内探测器和样品仓内探测器各自的成像效果进行演示。

示例地，把演示样品150对应设置在第一箱体110(模拟样品仓)内，打开第一光源130，关闭第二光源140。通过第一光源130(模拟样品仓内探测器)对演示样品150进行照射。然后通过人眼或成像记录装置170接收经演示样品150反射后从第二通孔出射的光束，以观察演示样品150。根据光路可逆原理，此时得到的成像的效果与样品仓内探测器对应的成像相同。并且，根据光路分析可知，由于光束由侧面照射演示样品150，因此，演示样品150上存在的部分空洞或凹陷会因没有光直接照射而在成像中具有阴影，更加具有立体感和空间感，但会丢失部分细节。该成像效果可参考在太阳高度角相对较低的早晨，从山峰顶端俯视观察或拍摄山峰时所观察到的山峰景象。背对太阳的山峰阴面会具有较重的阴影，从而使观察到的山峰具有较强的立体感和空间感，但阴面细节会丢失。

而示例地，把第一光源130关闭，打开第二光源140，通过第二光源140(模拟物镜内探测器)照射演示样品150时，由于光束由正上方照射演示样品150，因此，演示样品150上存在的部分空洞或凹陷也能够被光直接照射，最终的成像中演示样品150更加清晰，但是由于缺乏阴影而立体感和空间感较差。该成像效果可参考在太阳高度角相对较高的正午，从山峰顶端俯视观察或拍摄山峰时所观察到的山峰景象。山峰各面均能够得到相对均匀的阳光照射，从而使观察到的山峰更加清晰，但由于缺乏阴影而缺乏立体感。

又例如，同时开启第一光源130和第二光源140，通过第一光源130和第二光源140同时照射演示样品150，则能够对扫描电镜的样品仓内探测器和物镜内探测器的成像混合效果进行演示。

因此，通过本实施例提供的装置，能够良好的演示出样品仓内探测器和物镜内探测器各自的成像效果(特点)，从而便于更加直观的进行教学演示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扫描电镜探测器的成像效果演示装置，其特征在于，包括：第一箱体、第二箱体、第一光源以及第二光源，所述第一箱体的一侧表面开设有第一通孔，所述第二箱体通过所述第一通孔与所述第一箱体连通设置，所述第二箱体背离所述第一箱体的一侧表面开设有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔同轴设置，所述第一箱体内用于设置对应于所述第一通孔的演示样品，所述第一光源设置于所述第一箱体内，所述第二光源设置于所述第二箱体内，所述第一光源和所述第二光源分别向所述演示样品出射光束。

2.如权利要求1所述的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，其特征在于，所述第二箱体背离所述第二通孔的一侧形成有圆台形束光筒，所述束光筒伸入于所述第一箱体内且其光轴与所述第一通孔同轴，所述束光筒的小口朝向背离所述第二通孔的方向。

3.如权利要求1所述的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，其特征在于，所述第一箱体的内表面为漫反射表面。

4.如权利要求3所述的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，其特征在于，所述第一箱体的内表面涂覆有漫反射材料。

5.如权利要求3所述的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，其特征在于，所述第一箱体的内表面贴附有铝箔。

6.如权利要求1所述的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，其特征在于，所述第一光源为泛光光源。

7.如权利要求1所述的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，其特征在于，所述第一光源和所述第二光源分别采用手电筒或LED灯。

8.如权利要求1所述的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，其特征在于，所述第二通孔处对应设置有成像记录装置，所述成像记录装置的光轴与所述第二通孔同轴，用于接收经所述演示样品反射后由所述第二通孔出射的光束并进行成像。

9.如权利要求8所述的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，其特征在于，所述成像记录装置包括观察窗、相机和手机中的任一种。

10.一种扫描电镜探测器的成像效果演示方法，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的扫描电镜探测器的成像效果演示装置，所述方法包括：

启动第一光源和/或第二光源，以照射演示样品；

接收经所述演示样品反射后由所述第二通孔出射的光束，以模拟和演示扫描电镜中的样品仓和/或物镜内探测器的成像效果。

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