一种透射电镜成像装置的大视野设计

刘冰川，余英豪 ， 曲利娟，刘庆宏 ，王陈海 ，陈自谦福州总医院 .医学影像科；.病理科；.医学工程科，福建 福州 350025

0 前言

透射电镜数字成像装置主要有底装和侧装两种类型[1]，由于透射电镜电子光路的特点，这两类数字成像装置在视野和空间分辨率等主要参数上有很大区别。如何在保证透射电镜空间分辨率的前提下，提高该类型装置的视野一直是工程技术人员追求的目标。

1 透射电镜图像的形成和放大倍数

透射电镜的电子光路示意图，见图1。反映样品信息的透射电子束或衍射花样最后由透射电镜的投影镜投射到电子传感器上成像，这里的电子传感器主要指侧装传感器11、观察荧光屏12、底插胶片13、底装传感器14等。其中，侧装传感器11包括35 mm相机使用的135规格胶片和数字成像装置的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）或 CCD（Charge Coupled Device）图像传感器；底插胶片13大多使用规格为90 mm×60 mm电子感光胶片；底装传感器14指底装数字成像装置的CCD或CMOS图像传感器。

图1 透射电镜电子光路示意图

从图1看出，不同位置的电子传感器所生成的图像，对应的透射电镜放大倍数是不同的，而且也因不同型号的透射电镜或成像装置而异。以飞利浦EM-208S透射电镜为例，如果F1-F2（底插胶片感光位置）对应放大倍数1，则B1-B2（底装传感器感光位置）对应的放大倍数约为1.5，VS1-VS2（观察荧光屏感光位置）对应放大倍数为0.888，S1-S2（侧装传感器感光位置）对应的放大倍数为0.313[2]。

2 成像装置的视野和空间分辨率

视野（Field of View，FOV）是描述透射电镜成像装置性能的一个重要技术参数，如Gatan公司的ES500W（Model 752）[3]和 ES1000W（Model 785）[4]都把“比传统胶片视野大”作为其突出特点介绍；TVIPS的顶级数字成像装置TemCam-F816[5]也强调视野大，传感器有效面积比标准胶片的2倍还大，为128 mm×128 mm。TVIPS公司的TemCam-F816因传感器大而说其视野大，Gatan公司上述产品的传感器显然小多了，其视野的含义与前者明显不同。

如果 图 1 中的 S1-S2、 VS1-VS2、 F1-F2、 B1-B2 就是该位置的电子传感器，其长度分别代表各自传感器的大小，则它们所生成的图像所对应的样品范围相同，或者说它们的视野相同。由于不同位置所对应透射电镜的放大倍数不同，它们所得到的图像反映的样品信息也不一样。对于飞利浦EM-208S透射电镜而言，如果 S1-S2、F1-F2是性能相同的胶片，在某电镜放大倍数（M）下，F1-F2所拍摄图像正好能分辨样品细节，此时S1-S2所拍摄的图像只会是模糊一片；要让S1-S2与F1-F2有同样的空间分辨率，电镜放大倍数必须＞3M，这时视野就只有原来的1/9。视野和空间分辨率是一对不能割裂的矛盾，必须同时考虑，因此，对于给定的空间分辨率，透射电镜成像装置的视野取决于传感器的空间分辨率和传感器的大小。

3 现有成像装置的视野

现有成像装置视野示意图，见图2。21表示Gatan Model 782传感器的长边（约28 mm），22表示飞利浦EM-208S的观察荧光屏（直径约150 mm），23表示通用底插胶片的长边（90 mm），24表示TVIPS的TemCam-F816传感器的边长（128 mm），都按比例绘制。

从图2容易看出Gatan Model 782成像装置21的“视野”大于通用底插胶片23和TemCam-F816成像装置24的“视野”。比较普遍认为侧装型成像装置的视野大于底插胶片及底装型成像装置的视野，其道理正在于此。然而，从前一节已经得出：在空间分辨率相同条件下，侧装成像装置在视野上没有优势，视野主要取决于图像传感器的大小。拥有巨大的图像传感器（128 mm×128 mm）的TemCam-F816，天然具备大视野能力，但某些客观因素的存在让TemCam-F816这种大视野方案不能充分发挥其优势。第一，部分透射电镜，如飞利浦EM-208S的底部开口的孔径只有70 mm；日本电子公司的JEM-200CX等，电子束只能通过观察荧光屏上的一个与底插胶片对应的快门窗口下行约90 mm×60 mm，让TemCam-F816根本无法实现超大视野。第二，与底插胶片比较，TemCam-F816有大于它1.5倍（以下以1.5计算）的放大倍数，但并不能提高透射电镜的分辨率；与此类比的如普通光学显微镜，物镜100×和目镜15×的组合放大倍数是1500×，已达极限分辨率，如果把目镜换成25×，虽然此时放大倍数达2500×，并不能使被观察样本图像的细节更清晰，视为无效放大[6]。第三，在透射电镜极限放大倍数条件下，TemCam-F816无助于提高透射电镜的分辨率，而它的视野（128 mm÷1.5=85.3 mm，＜90 mm）与通用底插胶片相比又没有优势。第四，顶级产品，如TVIPS 公司的 TemCam-F816等，向来不可能被绝大多数的普通用户使用。

综上所述，Gatan公司Model 782类侧装型和TVIPS 公司TemCam-F816的底装型成像装置都不能向普通用户提供理想的大视野。

4 成像装置大视野设计的考虑

观察荧光屏（图2的22）和底插胶片（图2的23），它们是伴随透射电镜诞生就存在的成像装置。底插胶片所拍摄的图像长期以来是衡量透射电镜最重要参数-分辨率的依据，因此，底插胶片位置是成像装置传感器最理想的位置，观察荧光屏由于很接近底插胶片位置也是理想的成像位置。

观察荧光屏由于是在金属板上涂覆荧光物质而成，不透光，不能用于透射成像。如果在底插胶片位置安装透射电子荧光屏，一是会与底插胶片相机冲突，二是为位于观察荧光屏下方操作不方便，甚至在有些透射电镜上由于观察荧光屏结构的特殊而不能实现大视野。

如果在透明基材（如光学平板玻璃）上制作荧光粉层，一方面可以供操作者观察（反射成像），又能为荧光粉层背面的图像传感器提供光学信号（透射成像），这样的荧光屏，即透射/反射荧光屏。

在图3中，32替代了原装观察荧光屏的透射/反射荧光屏，透射电子束或衍射花样31投射在32上，激发32上的荧光粉产生光学图像。电镜操作者可透过铅玻璃窗口33观察32上光学图像，此光学图像还同时成像在底装成像装置的光学图像传感器35上，形成数字图像并在计算机36上显示和被处理。

图3 大视野透射电镜成像装置示意图

在图4中，用透射/反射荧光屏41替换飞利浦EM-208S透射电镜原观察荧光屏，42是通用胶片，41与42的距离为55 mm，41相对于42的放大倍数为0.888。设定成像装置传感器长宽比为4/3，如柯达公司的KAF-8300CCD传感器，如果41的有效面积是直径100mm的圆，则实际成像面积为80×60 mm2。图4中的SL1-SL2代表41成像的80 mm长边，其视野相当于42的FL1-FL2（80/0.888≈90 mm）部分，已等同于通用胶片的视野。

图4 成像装置视野说明图

只要41的直径＞100 mm，其有效视野＞通用胶片的视野，而对于原观察荧光屏直径＞150 mm的飞利浦EM-208S透射电镜来说，容易安装直径＞100 mm的透射/反射荧光屏。

5 讨论

本文提出用透射/反射荧光屏替代透射电镜的主荧光屏，可以解决目前侧装型透射电镜数字成像装置不能充分利用透射电镜的放大能力，即底装型成像装置视野小的问题；该方案同时也最符合操作人员的使用习惯，因而有望成为一种大众化的大视野透射电镜数字成像装置，特别是需要大视野的生命科学和医学领域。本装置正在实施中。

该方案的透射/反射荧光屏没有占用其他空间，所以成像部分可以与其他底装附属装置共存，是兼容性最好的底装成像装置。该装置方案还具有结构简单、清晰，可操作性强等特点。本文用一维数据来讨论二维参数，虽然可以说明问题，但不够精确；在分析视野和分辨率的关系时，隐含其他参数为理想条件，如默认电子束的密度或图像亮度不管放大倍数如何变化都在合适的范围内，实际情况不可能完全如此。

[1]刘冰川,曲利娟,刘庆宏.透射电子显微镜成像方式综述[J].医疗设备信息,2007,22(9):43-46.

[2]Philips Electron Optics B V.Service Publications Department.EM208S transmission electron microscope operating instructions[M].Eindhoven,The Netherlands: Philips Electronics NV,1996:3-1.

[3]Gatan Inc.ES500W Erlangshen CCD camera[DB/OL].(2004-12-09)[2012-05-18].Http://www.gatan.com/files/PDF/products/Es1000datasheetfinal2.pdf.

[4]Gatan Inc.ES1000W Erlangshen CCD camera[DB/OL].(2007-08-20)[2012-05-18].Http://www.gatan.com/files/PDF/products/GatanES500brochure.pdf.

[5]TVIPS GmbH.TemCam-F816 world,s highest resolution camera for TEMs [DB/OL].(2010-07-12)[2012-05-18].Http://www.tvips.com/pdfs/TEMCAM-F816.pdf.

[6]郁道银,谈恒英.工程光学[M].3版.北京:机械工业出版社,2011.

[7]朱弋,阮兴云,徐志荣,等.飞利浦CM-120透射电镜性能综述[J].中国医学装备,2007,(9):17-18.