2.2　电子透镜及其像差

2.2.1　静电透镜和磁透镜

欲将从试样发出的各种电子信号成像，就需要一种装置，它能使运动中的电子“转弯”，沿着预定的“轨道”运动并聚集。这种装置称为电子透镜。它的作用，相当于光学显微镜中的玻璃透镜，使电子束聚焦成像。

电子透镜分为静电透镜和磁透镜两种类型。

电子光学研究表明，静电透镜的某些特性劣于磁透镜，所以在近代电镜中，静电透镜只用于电子枪部分，而成像和像放大部分则采用磁透镜。

2.2.2　电子透镜的像差

一个理想的电子透镜，应该使从同一个物点发出的电子经过透镜作用后能会聚在相应的同一个像点上。然而，实际上任何电子透镜都不可能使一点发出的具有不同运动轨迹的电子都会聚到同一个点。这使得实际像点变得模糊或失真。这是因为与光学透镜一样，电子透镜也存在像差。根据成因的不同，电子光学将电子透镜像差分为球差、色差、像散差（简称像散）、彗差和畸变等几种。

（1）球差　球差又称球面像差。由于磁透镜本身固有的原因，近轴磁场对运动电子的折射能力比起远轴磁场要弱。因此，从同一物点发出的众多电子中，具有大孔径角的电子（常称远轴光）将会聚得距离透镜较近，而小孔径角电子（常称近轴光）则会聚得较远，亦即它们不是会聚在光轴的同一点上，如图2.5所示。因此，在原来理想的像点处形成了一个弥散的小球，在理想像点垂直于光轴的平面上则呈现为一个弥散圆。这种像差称为球差。

球差可以用球差弥散圆半径来量度，它是指在傍轴光形成的像平面（也称高斯像平面）上弥散圆斑的半径。也可用纵向球差来量度球差，它是指傍轴光形成的像点与远轴光形成的像点之间的距离。电子光学理论计算表明，球差的大小与孔径角的三次方成正比。将像平面上的弥散圆斑折算到物平面时，与原物点相对应的是一个散射圆斑，其直径ds用式（2-1）表示：

ds=Csα3

（2-1）

式中，Cs为球差系数；α为透镜的孔径角。

显而易见，球差所产生的圆斑ds限制了电子显微镜的分辨率。欲提高分辨率必须减小孔径角α的大小，亦即使用小的光阑孔径。这并不难做到。然而，分辨率还受到电子波衍射的限制，光的衍射效应要求使用大孔径角。可见球差和衍射效应对孔径角的大小有着相反的要求。为了保证获得一定的分辨率，电镜设计工作者应力求减小球差系数。对于仪器使用者而言，并无任何方法可以减小球差。

（2）色差　从同一物点发出的众多电子经过加速电压和磁透镜作用后，可能有着不同的运动速度（相应不同的德布罗意波波长）。因此，它们通过磁透镜后将不可能会聚在同一个像点，产生了所谓色散差，简称色差，如图2.6所示。这种色差又称轴向色差。电子束加速电压和磁透镜电流的任何变化都是产生色差的来源。色差将导致图像模糊不清。显而易见，电镜工作者应该尽可能保证电源的稳定供电。

色差的另一个来源是试样物质对电子束产生的非弹性散射。运动电子与试样物质相互作用时，有的发生弹性碰撞，碰撞后电子不散失能量；有的发生非弹性碰撞，碰撞后电子失去部分能量，运动速度发生改变（速度减小）。这些电子通过物镜后将成像在不同的像平面上。这种色差称为倍率色差。图2.7为产生这种色差的光路图。

显而易见，减小试样厚度有利于减小倍率色差。

色差可用色散圆斑半径rc来量度：

（2-2）

式中,Cs为色散系数；α为透镜孔径半角；为成像电子束能量变化率。

（3）像散差　像散差的存在同样会导致劣质图像的出现。这种像差的大小常常与电镜操作人员对仪器工作状态是否做到正确的校正和调节直接相关。

像散差主要来源于仪器中实际使用的透镜与理论设计透镜之间的差距。实际制作的透镜不可能制成完全轴对称的。制作材料成分和结构的不均匀、机械加工的误差、上下极靴之间的配合不同轴、几个透镜之间的不良合轴以及对机件的污染等都会造成透镜电磁场分布的不对称，导致透镜在某一方位的聚焦能力较强一些，而在与之相垂直的方位，聚焦能力弱一些。图2.8为像散差形成光路图。图2.8中含有斜线的透镜平面聚焦能力较强，对物点发出的电子束聚集在距离透镜较近处，而与之相垂直平面上的电子则被会聚在较远处，两点之间有一距离za。这种由于透镜性能的非轴对称而引起的像差称为像散差。za可作为其大小的量度。一物点的图像仅在约za的1/2处形成一个弥散圆斑，而在其他位置显示的是椭圆形的像。

电镜中都安装有消像散器。它实际上是一个圆柱面透镜，由面对称的电场或磁场组成，用来校正透镜中存在的非轴对称性。正确的合轴和消像散操作能保证将像散差减小到最低程度。

（4）彗差　彗差（彗星形像差）也是影响图像质量的像差，表现为呈一簇大小不同圆斑的散射圆。彗差的大小与透镜极靴的结构和合轴有关。

（5）畸变　畸变是一种不影响图像分辨率，不会导致图像模糊的像差。磁透镜对傍轴光的聚焦能力劣于对远轴光的聚焦能力，在物镜中主要产生球差，而对投影镜则产生畸变。图2.9显示几种畸变形成的图形[4]。畸变主要出现在低放大倍数的情况。仪器如若采用三级放大系统，可实现无畸变放大。