成像過程

掃描電鏡的成像原理(如圖1所示)。在收集板電場的作用下，從試樣表面所發出的電子信息通過閃爍晶體後轉換為光子，光子通過光導管進入光電倍增管中被放大並轉換為信號電流，再通過電信號放大器的放大後轉換成信號電壓，送到信號處理和成像系統，從而完成了成像信息的電子學過程。 ^[1] 

掃描電鏡的成像過程是通過信號處理和成像系統來完成。

在真空狀態下加熱鎢燈絲時會產生電子束，在燈絲外圍的陰極和位於相反的陽極之間施加高電壓。拉出電子束並縮小到直徑為30～50μm的交叉點，電子束被陽極加速，再連續被第一、第二聚光鏡、物鏡縮小，以及掃描線圈的作用，形成聚集得很細的電子束(即電子探針，直徑為3～10“m)，照射於樣品上。電子探針和樣品之間互相作用，從試樣表層發生各種信號電子，它們用相應的探測器接收，經過放大、處理後，可以獲得各種信號的圖像。信號不同，所呈現的圖像表示樣品的性質不同。電子探針和樣品相互作用所產生的信號電子有：二次電子、背散射電子、X射線、俄歇電子、陰極發光、吸收電子、透射電子等等(見圖2)。

(1)二次電子 入射電子受樣品的散射與樣品的原子進行能量交換，使樣品原子的外層電子受激發而逸出樣品表面，這些逸出樣品表面的電子就叫做二次電子。還有一部分二次電子是背散射電子逸出樣品表面時激發的，在成像時形成本底。二次電子逸出樣品之前，受到樣品本身的散射，能量有損失，它們的能量較低(0～50 eV)，其發射深度為樣品表面幾納米到幾十納米的區域。從樣品得到的二次電子產率既與樣品成分有關，又與樣品的表面形貌有更密切的關係，所以它是研究樣品表面形貌最佳的工具。通常所説的掃描電子像就是指二次電子像，其分辨率高、無明顯陰影效應、場深大、立體感強，特別適用於粗糙表面及斷口的形貌觀察。

(2)背散射電子(反射電子) 背散射電子是入射電子受到樣品中原子核散射而大角度反射回來的電子。它的能量損失較小，能量值接近入射電子的能量。這種電子是入射電子深入到樣品內部後被反射回來的，所以它在樣品中產生區域較大(約為1/lm)。背散射電子像與樣品的原子序數有關，與樣品的表面形貌也有一定關係。可以用雙探測器獲得背散射電子的組分像和形貌像。利用這種電子的衍射信息，還可研究樣品的結晶學特性。

(3)X射線 入射電子進人樣品，如在原子核附近則受核庫侖場作用而改變運動方向，同時產生連續X射線，即軟X射線。如入射電子打到核外電子上，把原子的內層電子(如K層)打到原子之外，使原子電離，鄰近殼層的電子(如L層)填充電離出的電子穴位，同時釋放出X射線，該X射線的能量為兩個殼層的能量差。各元素原子的各個電子能級能量為確定值，所以此時釋放出的x射線叫特徵X射線。分析特徵X射線的波譜和能譜，就可以研究樣品的元素和組成成分。

(4)俄歇電子 樣品原子中的內層(如K層)電子被入射電子激發時樣品發生了弛豫過程，多餘的能量除發射特徵X射線外，還可以使較外層(如L層)的兩個電子相互作用後，一個跳到內層填充空穴，另一個獲得能量離開原子成為俄歇電子。俄歇電子是Auger在1925年研究X射線發射光譜時發現的。俄歇電子能量為E—E。～2K L，不同元素的俄歇電子能量有不同的特定數值，分析俄歇電子能譜就可以確定樣品組成元素。

(5)陰極熒光 有些固體受電子束照射後，價電子被激發到高能級或能帶中，被激發的材料同時產生了弛豫發光，這種光稱為陰極熒光。其波長是紅外光、可見光或紫外光，也可用來作為信號電子。用它可以研究礦物中的發光微粒、發光半導體材料中的晶格缺陷和熒光物質的均勻性等等。

上述可知，用不同的探測器檢測出不同的信號電子，可以反映樣品的不同性質，如在二次電子探測器的柵網改加上負壓(約一30 V)就可以檢測背散射電子。一般掃描電鏡主要是利用二次電子或背散射電子成像，觀察研究表面形貌。其他的信號電子可分析元素、結晶、化學態和電磁性質。

在鏡體內的電子束通路上有偏轉線圈(或掃描線圈)，在顯示部分的顯像管上也有偏轉線圈，這些偏轉線圈接受來自掃描電源X、y軸(水平、垂直軸)的鋸齒波電流。顯像管畫面上的樣品圖像在顯像管內有相應的電子束定位點，它和樣品表面上電子探針的定位點一直保持完全準確的相應關係(同步掃描)。顯像管的畫面幅度和樣品上掃描幅度之比，決定掃描電鏡的放大倍數。顯像管上畫面的幅度是固定的，如果把供應鏡體內偏轉線圈的偏轉電流加以改變，則掃描電鏡的放大倍數也要發生變化。

1、鏡頭把景物影象聚焦在膠片上 　 成像

2、片上的感光劑隨光發生變化

3、片上受光後變化了的感光劑經顯影液顯影和定影 　形成和景物相反或色彩互補的影象

a)光線透過鏡頭投射到感光元件表層；

b)光線被感光元件表層上濾鏡分解成不同的色光；

c)色光被各濾鏡相對應的感光單元感知，併產生不同強度的模擬電流信號，再由感光元件的電路將這些信號收集起來；

d)模擬信號通過數模轉換器轉換成為數字信號，再由DSP對這些信號進行處理，還原成為數字影象；

e)數字影象再被傳輸到存儲卡上保存起來。

對膠片相機而言，景物的反射光線經過鏡頭的會聚，在膠片上形成潛應影，這個潛影是光和膠片上的乳劑產生化學反應的結果。再經過顯影和定影處理就形成了影像。

數碼相機是通過光學系統將影像聚焦在成像元件CCD/ CMOS 上，通過A/D轉換器將每個像素上光電信號轉變成數碼信號，再經DSP處理成數碼圖像，存儲到存儲介質當中。

光線從鏡頭進入相機，CCD進行濾色、感光（光電轉化），按照一定的排列方式將拍攝物體“分解”成了一個一個的像素點，這些像素點以模擬圖像信號的形式轉移到“模數轉換器”上，轉換成數字信號，傳送到圖像處理器上，處理成真正的圖像，之後壓縮存儲到存儲介質中。

照相機一般可按其使用技術特徵如：畫幅大小、取景方式、快門形式、測光方式來分類，也可按照相機的外形和結構來分類。具體分類情況如下：

1、照相機根據其成像介質的不同 　可以分為膠片相機與數碼照相機以及寶麗來相機。膠片相機主要是指通過鏡頭成像並應用膠片記錄影像的設備。而數碼照相機則是應用半導體光電耦合器件和數字存儲方法記錄影像的攝影設備，有使用方便，照片傳輸方便，保存方便等特點。寶麗來相機又稱一次成像相機，是將影象直接感光在特種像紙上，可在一分鐘內看到照片，合適留念照等。

2、按照相機使用的膠片和畫幅尺寸 　可分為35mm照相機(常稱135照相機)、120照相機、110照相機、126照相機、中幅照相機、大幅照相機、APS相機、微型相機等。135照相機使用35mm膠片，其所拍攝的標準畫幅為24mm X 36mm，一般每個膠捲可拍照36張或24張。

3、按照相機的外型和結構 　可分為平視取景照相機(VIEWFINDER)和單鏡頭反光照相機（單反相機）。此外還有摺疊式照相機、雙鏡頭反光相機、平視測距器相機(RANGFINDER)、轉機、座機等等。

4、按照相機的快門形式 　可分為鏡頭快門照相機(又稱中心快門照相機)、焦平面快門照相機、程序快門照相機等。

5、按照相機具有的功能和技術特性 　可分為自動調焦照相機，電測光手控曝光照相機，電測光自動曝光照相機等。此外還有快門優先式、光圈優先式、程序控制式、雙優先式、電動卷片(自動卷片、倒片)照相機，自動對焦(AF)照相機，日期後背照相機，內裝閃光燈照相機等。 　有時也可按照相機的用途來分，如專業相機和消費類相機（傻瓜相機）、一步成象照相機、立體照相機；有時也可按鏡頭的特性分為變焦或雙焦點照相機。實際上一架現代照相機往往具有多方面的特徵，因此應以綜合性的方式來定義。

（1）當使用數碼相機拍攝景物時，景物反射的光線通過數碼相機的鏡頭透射到CD上。

（2）當CCD曝光後，光電二極管受到光線的激發而釋放出電荷，生成感光元件的電信號。

（3）CCD控制芯片利用感光元件中的控制信號線路對發光二極管產生的電流進行控制，由電流傳輸電路輸出，CCD會將一次成像產生的電信號收集起來，統一輸出到放大器。

（4）經過放大和濾波後的電信號被傳送到ADC，由ADC將電信號（模擬信號）轉換為數字信號，數值的大小和電信號的強度與電壓的高低成正比，這些數值其實也就是圖像的數據。

（5）此時這些圖像數據還不能直接生成圖像，還要輸出到DSP（數字信號處理器）中，在DSP中，將會對這些圖像數據進行色彩校正、白平衡處理，並編碼為數碼相機所支持的圖像格式、分辨率，然後才會被存儲為圖像文件。

（6）當完成上述步驟後，圖像文件就會被保存到存儲器上,我們就可以欣賞了。

數碼相機採用電子元器件成像而非膠捲——這是數碼相機與傳統相機最本質的區別所在。數碼相機的成像器件主要分為兩類：

CCD——英文ChargeCoupleDevice的縮寫，中文名稱“電荷耦合器件”。

CMOS——英文ComplementaryMetal-OxideSemiconductor的縮寫，中文名稱為“互補金屬氧化物半導體”。

1)CCD是目前主流的成像器件，主要分為：

（1）R-G-B原色CCD：這是數碼相機上應用的最多的CCD。

（2）C-Y-G-M補色CCD：早些時候尼康部分數碼相機使用過這種補色CCD。

（3）R-G-B-E四色CCD：這是索尼最新發布的CCD，它比RGB原色CCD多出一個E（Emerale,翠綠）的顏色。

2）SuperCCD：是日本富士公司的專利技術，中文名稱為超級CCD，由CCD演變而成，目前已經發展到第4代。

3）CMOS：作為數碼相機成像器件出現的時間並不長，但發展卻非常迅速，大有與CCD分庭抗爭之勢，其基本結構中的像素排列方式與R-G-B原色CCD並沒有本質差別。佳能是CMOS陣營的主要支持者。

CCD技術成熟，成像質量好，畢竟它是現在應用的最廣泛的成像元件，但它也有其缺點：

1）耗電量大。早期的數碼相機有“電老虎”的“美譽”，主要原因之一便來自CCD。雖然現在採用低温多晶硅顯示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相機的功率，但CCD依然是數碼相機的耗電大户——CCD從數碼相機一開機便隨時保持着工作狀態，更是無謂地消耗大量的電能。

2）工藝複雜，成本較高。CCD複雜的結構決定了它製造工藝的複雜性，因而到目前為止，CCD還只有為數不多的幾家電子產業巨頭能生產。

3）像素提升難度大。CCD前兩個缺點也直接導致了這一個缺點，CCD像素提升無非是通過兩個途徑：

第一，保持感光元件單位面積不變而增大CCD面積，在大面積CCD上集成更多的感光元件。但是這種方式會導致CCD成品率降低，製造成本更高，功耗更大，在民用領域這是不現實的；

第二，縮小感光元件單位面積，在現有水平的CCD面積上集成更多感光元件。但是這種方法會減少感光元件的單位感光面積，降低CCD整體的靈敏度和動態範圍，影響畫質。

CMOS在最近幾年的發展速度相當不錯，大有與CCD分庭抗爭之勢——就連目前最頂級的DSLR（單鏡頭反光數碼相機）柯達（Kodak）DCS14n與佳能(Canon)EOS1Ds均是採用CMOS成像。

相比CCD，CMOS有兩個最突出的優點：

1）價格低廉，製造工藝簡單。CMOS可以利用普通半導體生產線進行生產，不象CCD那樣要求特殊的生產工藝，所以製造成本低得多。而且CMOS尺寸與成品率都不如CCD有很多限制。

2）耗電量低。雖然CMOS的濾鏡佈局與CCD差別不大，但在感光單元的電路結構上卻有很大差別。CMOS每個感光元件都具備獨立的電荷/電壓轉換電路，可將光電轉換後的電信號獨立放大輸出——這比起CCD將所有的信號全部收集起來再放大輸出，速度快了很多。而且CMOS的感光元件只在感光成像時才會工作，所以比CCD更省電。但CMOS同樣存在缺點，如果在使用數碼相機時成像動作較多，那麼CMOS在頻繁的啓動過程中會因為多變的電流而產生熱量，導致雜波並影響畫質。

成像元件是數碼相機的核心，因而正確認識它的一些重要的參數是很必要的，這對了解數碼相機的基本性能、如何選購數碼相機都能帶來不少幫助。