一、扫描式电子显微镜(SEM)的基本理论
1.影像的分解和扫描
我们在看一幅印刷的图画时，如果靠近画面仔细观察，会发现整个画面可以分解成许多灰度不同的小点，也就是说它由许多黑、白、灰不同的小点按一定顺序排列而构成的。象团体操所呈现的图案，是把一幅完整的图案切割为成千上万个小块一样，将这些小块从上到下，从左至右按顺序编上号码，由每人取其一块，按原定顺序排列来，便构成了一幅完整的图案。个别地看，每个小块只是一个简单的色块或线条，分割得越细，小块上的图形越简单。一幅照片或一幅电视画面也可以这样分割，这每一个小的单元，在光学上便被称为“像素”，一幅影像被分解的像素越多，就越能表现出更多的细节，越能细腻地反映出物体的形貌。一般35mm电影胶片上，每幅画面大约包含了上千万个像素，所以我们看电影时感觉非常细腻而清晰。而一般电视影像，分成625行共约25万个像素，离远看时感觉还较细腻，当离得较近，像素之间的距离大于我们视力的分辨率时，便很觉得有些粗糙了，因为我们可以在近处不费力地分辨出上下行的间隙。目前计算机的显示器的像素通常在100万左右,介于前述2个例子中间。
在扫描电镜中，为获取较高的分辨率，通常把影像分解成1500～2000行，每行1500个点以上，这样总像素可达200～300万个，足以达到细节丰富、形态逼真的高质量影像的要求。
扫描电镜象电视一样，是利用扫描来分解与合成一幅影像的。扫描过程就是把电子束“逐颗逐粒地象写字一样从左到右，然后下移一行再从左至右地照射在样品上”。这种从左到右的运动称为“行扫描”，一次从左到右即为一行；从上至下的运动称为“帧扫描”，一次从上至下，完成一幅完整画面的全部行扫描运动时,称为一帧。由于帧扫描运动迭 加在行扫描运动中，速度匹配得合适，则恰好使第2次的行扫描，错开一行，扫在上行扫描 轨迹的下方，如没有帧扫描的合成，行扫描就只能重叠在同一行上来回运动。 
图4-27 SEM的扫描成象原理
2.影像的形成
图4-27所示表明，让电子束依照行、帧扫描的顺序，在样品表面的微小区域内做扫描合成运动，当逐点轰击在样品上，便会逐点激发出相应的二次电子来。这些二次电子携带着对应位置上样品表面形貌的信息，表面突起的高低不同，被激发出的二次电子数目和能量也不同。在样品台附近安装一个二次电子探测接收器，依次将二次电子接收起来，转换成电信号送到电路中放大，再按同样的行、帧扫描顺序排列在显像管的荧光屏上，就可以得到一幅扫描电镜影像了。图4-28为扫描电镜的成像拍摄实例,从图中可以看出这种成像方式非常富有立体感。
图4-28 扫描电镜的成象实例
3.反差与亮度
扫描电镜的最终影像如同电视机一样显现于显像管的荧光屏上。为了充分地表现出SEM影像的分辨力与清晰度，须配以适当的反差与亮度。这与家用电视机的亮度与对比度具有相同的意义，两者之间的关系相互牵联，亮度大了，反差则小，以至影像平淡，缺少立体感；亮度小了，反差会显得较大，以至淹没实际存在的细节。此外,亮度的大小还必须适应于拍摄 所需的曝光量，调节时应考虑各方面的因素，配合起来处理。
二、扫描电镜的结构和工作原理简述
扫描电镜（ SEM）的外形和主机内部结构示意见图4-29。 1.SEM与TEM主要结构的异同比较
SEM与TEM主要结构的异同之处如下：①其中的照明系统与透射电镜（TEM）的结构和原理大 致相同，也是由电子枪和聚光镜等来完成照明工作的；②它的物镜只起到对样品的聚焦作用 ，不参与成像和放大；③因为成像原理的不同，SEM没有中间镜和投影镜；④SEM的样品室在镜体的最下部（TEM的样品室在镜体的中部），并且要比TEM的样品室大得多，能盛放和观察较大的样品（直径达若干厘米）；⑤扫描电镜也有一套真空抽气系统、水冷系统和电源及控制电路，与TEM的功能作用基本一致。
图4-29 扫描式电子显微镜(SEM)
2.主要电磁透镜的作用
各主要电磁透镜的作用为：①由电子枪发射出电子束（又称电子探针），然后通过聚光镜电流的调节来改变电子探针的亮度和粗细，电子探针愈细愈有利于成像的分辨率，但此时二次电子的信号强度会有所降低，致使影像亮度随之降低，故应折衷选择；②调节物镜电流可改变电子探针的上下会聚点，起到聚焦的作用，物镜对于扫描电镜同样是一个重要的部件， 配有物镜光阑和消像散线圈，物镜性能的高低极大程度地影响整机的成像性能。
3.SEM增加的重要部件
在结构上扫描电镜与透射电镜相比较增加的重要部件是：①扫描信号发生器��产生扫描脉冲信号；② 扫描偏转线圈��控制电子探针做扫描运动；③二次电子探测器��接收二次 电子信号；④视频信号放大器和显像管��将电信号处理成最终影像，扫描电镜的照片是由 照相机［见图4-29(a)面板最右端］直接摄自显像管的屏面上。
4.工作原理
扫描电镜的工作原理是：照明系统发射出来的电子探针（电子束）经物镜会聚，轰击在样品表面，同时在扫描偏转线圈的驱使下做行、帧扫描合成运动，激发出来的二次电子被探测器接收并转换成电平高低不同的电信号，送至视频放大电路和显像管后，变成可供观察和拍摄的影像，扫描电镜的放大率是通过改变对样品扫描的幅度来实现变化的，所以它不需要中间镜或投影镜。
三、扫描电镜中的几个特殊部件
1.扫描信号发生器
这是一个特殊的振荡电路，要求同时产生出2组脉冲信号:行扫描与帧扫描信号，对脉冲信号的波形、时值及两组信号的关系要求十分高，行扫描信号与帧扫描信号都是锯齿波，两者幅度不同，周期也不相等：
行扫描周期＝1/总行数×帧扫描周期
扫描信号发生器输出的行、帧信号经变换电路处理后，成为幅度不同的2路信号送出： 一路恒定幅度的信号被送入显像管控制其电子束做扫描运动；另一路信号幅度很小且可以调整，被加在SEM镜筒内的扫描线圈上，使电镜中的电子探针做同步扫描运动（见图4-29），其结果是显像管扫描的偏转幅度（荧屏宽度）与电子探针的扫描偏转幅度两者之间的幅度比值即为放大率：
由于显像管的尺寸固定，其扫描偏转幅度也不改变，所以改变电镜电子探针的扫描偏转幅度即调节电镜扫描信号幅度，可以达到改变放大率的目的。
2.扫描偏转线圈
由对应于行偏转和帧偏转的2组线圈构成，安装在SEM的聚光镜和物镜之间，在扫描信号的驱动下，产生X、Y方向上2个磁场，行偏转线圈使电子探针在X方向不停地往复运动，在迭加上帧偏转线圈产生的Y方向上的推动作用后，就形成了完整的扫描合成运动，周而复始。在显像管的颈部上也装有一组结构不同但原理一样的行、帧偏转线圈，推动显像管中的电子束做完全同步的X、Y方向扫描合成运动。
3. 二次电子检测器
二次电子检测器由带有正电压的收集器、正高压的闪烁体、光导管和光电倍增管构成，如图4-30所示。
图4-30 二次电子检测器的结构原理图
收集器由金属网制成，在加上正电压以后，象吸尘器一样能把激发出来的二次电子按照先后顺序吸引过来；闪烁体是一块涂有荧光粉的薄玻璃（或塑料）片，外表蒸镀一层极薄而又导电的铝层，二次电子受到闪烁体上的正高压加速，飞向并穿过铝层，轰击在荧光粉上使其发光，发光的亮度与二次电子的能量成比例（这是一次电-光的转换过程），然后光信号再通过光导管传递给光电倍增管，由光电倍增管内的光电阴极转换成阴极电子信号输出（光-电转换），经过后面的多电极倍增器逐级将电信号放大变成一定强度的信号，输送到视频放大电路中去。
4.显像管
SEM显像管同其他显示器的构成基本上一样，主要为玻壳密封下的阴极、阳极和栅极。
阴极一般为旁热式，是由铝、镍等金属片单独制成，在灯丝加热的高温烘烤下阴极便可发射自由电子，在阳极高压的吸引下射向荧光屏面；阳极为显像管荧光屏面的内表层，表面涂覆一层荧光粉，并加有上万伏的正高压，被阴极发射的自由电子轰击时，能发光并且透过荧屏玻壳传递出来，其亮度和自由电子轰击的能量成比例；栅极为信号输入的调制极，控制自由电子束轰击阳极屏面的能量，也即某一点的发光亮度，从而形成影像输出。而调整阴极相对于阳极的电位可以改变电子束的平均轰击能量,使显像管整体亮度发生变化。
二次电子探测器输出的电信号由视频放大电路放大后被加在栅极上，包含样品表面信息的电信号能使栅极电位发生变化，进一步通过栅极控制了电子束轰击荧光屏时在某一瞬间的能量的大小，同时在显像管偏转线圈的扫描作用下，能量不同的电子粒流便有序地被分布在整个荧光屏面上了.
SEM一般有2个显像管，1个为长余辉型，供观察使用，不易引起闪烁感。另1个为短余辉型，能显现精细结构和丰富的层次，有利于获得高分辨率的影像，供拍摄照片用。
四、优良SEM影像的拍摄要点
SEM的观察的主要过程是：①小倍率选区；②高倍率放大；③移动样品至适当位置，调焦；④调亮度和反差至最佳；⑤拍摄。
影像的拍摄一般是机器自动设定拍摄时间和扫描速度，但并不是整幅影像一下子拍摄下来，而是逐点逐行地慢慢扫描拍摄的，为的是使电子束在每一点停留较长的时间，以产生足够的亮度使胶片感光，通常一幅照片的拍摄约需几十秒钟。下面根据SEM的具体特点来介绍一幅优良SEM影像照片的拍摄要点。
1.聚光镜电流的选择
聚光镜电流的大小将直接影响到电子束的亮度和光斑直径的大小，也影响成像的分辨率和反差。
在保证足够的观察条件、拍摄的亮度和反差的需要下，应尽量使聚光镜电流稍为大一些，以获取较小的电子束流探针直径，得到较高分辨率；但聚光镜电流又不可太大，太大则使电子束流能量太低，信号与噪声的强度比（信噪比）下降，影像也会平淡无力,缺少立体感。故聚光镜电流的调节应和亮度与反差相配合。
2.亮度和反差的调节
既不可一味追求高亮度，也不可一味追求高反差。这两者要配合调节。
高反差能增加立体感，但却损失了许多细节，所以在保证较好反差的情况下，要调出足够的灰度等级。SEM上常设有亮度及反差的调节指示表。操作者可根据指示表去调整，参照自己观察对象的目的需要，适当地给予补偿。
3.加速电压的选择
加速电压的提高，纵然可以增大电子束的能量，提高信噪比和反差，这只是一个单方面的因素，从另一方面考虑，也会增加背散射电子的数目和电子束的穿透力,这样影像中物体边缘的锐利度会降低，也将使分辨力下降。 通常可以根据影像质量和拍摄需要进行选择。
4.样品倾斜度和光阑孔径的选择
样品台除可向X、Y方向移动外，还可以做一定量的倾斜。倾斜样品台等于让电子探针从侧面轰击样品，就象日常拍摄照片时一样，用侧光比用正面光能得到更好的立体感。但倾斜面的两侧不在同一平面上，倾斜太多则不好兼顾聚焦，会造成两侧模糊，同时也会损失一些细节。光阑孔小时，能提高反差，增大立体感和景深范围，但太小则损失能量多，光衍射增大，也会影响分辨率。
5.消像散与聚焦
存在像散时与聚焦不清是不一样的。聚焦不清则使像的四周呈现同等程度的模糊。像散则 为影像边缘沿某一方向被拉长，四周的模糊程度并不均匀。
像散与聚焦对成像质量的影响同等重要。电镜照片的拍摄要力求将像散消减到最小，聚焦达到最清晰。