第五章 电子图像的成像理论
电子显微学衍衬成像理论论述
质厚衬度产生的原因
• 元素的种类不同对电子的散射能力就不同。 重元素比轻元素的散射能力强，成像时被 散射到光阑以外的电子多，重元素成的像 比轻元素的像暗，试样越厚，对电子的吸 收越多，相应部位的参与成像的电子就越 少，所以厚样品的像比薄样品的像暗。
• 在复型样品、非晶态物质、合金中的第二 相看到的衬度都属于此类。
宁愿辛苦一阵子，不要辛苦一辈子
•
4、
。06:1 2:2406: 12:240 6:12Sat urday, November 21, 2020
• •
积极向上的心态，是成功者的最基本要素 5、
。20.1 1.2120. 11.210 6:12:24 06:12:2 4November 21, 2020
22
4.4.2 衍衬运动学理论
1. 运动学理论的基本假设与实验条件 1) 忽略样品对电子束的吸收和多重散射 2) 不考虑衍射束和通射束的交互作用。即对衬度有贡献
的衍射束，其强度相对于入射束强度是非常小的
3) 双光束近似：a)存在一个s值；b) 与具有互补性 4) 柱体近似
实验条件： 1) 试样取向应使衍射晶面处于足够偏离布拉格 条件的位置，即s≠0 2) 要采用足够薄的样品
4
5
6
7
8
9
4.4.1 基本概念
• 1、柱体近似
10
11
2、双光束条件
在获得电子显微像时，通常采用双光束成像条件： 即除透射电子束外，只有一个强衍射束，且让它偏 离精确的布拉格衍射条件。
用非常薄的样品，这时因吸收而引起的能力损失和 多次散射以及严格双光束情况下有限的透射和衍射 束之间的交互作用可以忽略不计。
•
1、
功的路 。20.11.2120.11.21Saturday, November 21, 2020
第五章 高分辨(相位)衬度的起源与理论
面电子波。在菲涅尔近似下，有
ψ ( x, y ) =
− 2πik [( x − X ) 2 + ( y − Y ) 2 ] i exp(−2πikZ ) q X Y ( , ) exp dXdY ∫∫ Zλ 2R
= q ( x, y ) * PR ( x, y )
(4-8)
其中，q(x,y) 为物函数，Ψ(x,y)为传播 R 距离后的电子波函数， PR(x,y)为菲涅尔传播因子：
高分辨研究简史
关于高分辨透射电子显微镜的基本成像理论，Boersch 早在 1946 年在研究电子与 原子的相互作用时就提出，固体中的原子会对在其中传播的电子束进行调制，改变电 子波的相位。他认为，利用电子波的相位变化，有可能观察到单个原子，可以用来分 析固体中原子的排列方式。 这一理论实际上成为现代实验高分辨电子显微分析方法的理 论依据； 1947 年， 德国科学家 Scherzer 提出， 磁透镜的离焦 （defocus， 即所谓的 Scherzer 最佳欠焦量，而非通常的高斯正焦）能够补偿因透镜缺陷（球差）引起的相位差，从而 可显著提高电子显微镜的空间分辨率。 高分辨试验方面的最初结果首先是由 Menter 在 1956 年做出的。 在 20 世纪 50 年代， 由于透射电镜的线分辨率只有 1.2 纳米，点分辨率更差，大大限制了这一时期高分辨 电子显微技术的应用。直到 1970 年代，透射电镜点分辨率已达到几个埃的水平，对高 分辨电子显微学的应用创造了良好的物质基础。 1957 年，美国 Arizona 洲立大学物理系的 Cowley 教授等利用物理光学方法来研究 电子束与固体的相互作用，并用所谓“多层法”计算相位衬度随样品厚度、离焦量的变 化，从而定量地解释所观察到的相位衬度像，即所谓高分辨像，从而建立和完善了高分 辨电子显微学的物理基础。1971 年，Cowley、Iijima 等人首次获得了可直接解释的氧化 物晶体的高分辨电镜像，证实了他们所看到的高分辨像与晶体结构之间具有对应关系， 实际上是晶体结构沿着特定方向上的二维投影。 这一时期高分辨电子显微像的分辨率已 优于 4 埃。 Cowley、Iijima 的工作开创了一个应用高分辨电子显微学的新时代，从此 高分辨电子显微术开始被广泛地利用与多种领域，成为现代物理、化学、材料科学、矿 物学、生物学等多种学科研究的常用技术。 在这一章节中， 先介绍要一下有关高分辨电子显微学的一些基本理论和概念。 之后，讨论一下高分辨电子显微术的图像模拟方法，以及主要应用对象，并简单 介绍一下近年来高分辨电子显微学的一些新进展，如球差矫正（Cs corrector） ， 以及出射波重构（exit wave reconstruction）等新技术。
电子成像原理
电子成像原理电子成像是指利用电子器件和技术将光学图像转换为电子信号，并通过相应的电子设备进行处理和显示的过程。
它在现代科学、医学、工业等领域中广泛应用，成为了人们观察和分析事物的重要手段。
本文将简要介绍电子成像的原理。
电子成像的原理可以分为三个关键步骤：图像采集、信号转换和信号处理。
一、图像采集图像采集是指将光学图像转化为电子信号的过程。
它通常是通过摄像机等电子设备实现的。
摄像机内部主要由图像感受器、光学成像系统、光电转换器等组成。
图像感受器是作为成像部件的核心，主要包括光敏元件和色彩滤光器等。
光敏元件可以将光信号转化为电信号。
通常使用的光敏元件有CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器。
它们能够将光子产生的电荷转换为电压信号，进一步进行处理和传输。
光学成像系统由透镜、光圈和滤光器等组成。
它的主要作用是将光线聚焦到图像感受器上，以实现对光学图像的有效捕捉。
光电转换器是将光敏元件接收到的光信号转化为电信号输出的部分。
它对接收到的光信号进行放大和调制，以得到更为精确和稳定的电信号输出。
二、信号转换在图像采集之后，需要将光信号转换为电信号。
这一步骤主要依赖于图像感受器内部的光敏元件。
当光线照射到光敏元件上时，光敏元件将光信号转换为电信号输出。
CCD图像传感器是目前应用最为广泛的图像感受器之一。
当光线照射到CCD上时，光敏元件将光子产生的电荷储存在特定区域，然后通过电信号进行读出。
CMOS图像传感器则利用所采用的互补金属氧化物半导体技术，将光子产生的电荷转换为电压信号输出。
通过信号转换，光学图像得以转化为电子信号，为后续的信号处理提供基础。
三、信号处理信号处理是将电信号进行处理和加工，最终呈现在显示器上的过程。
信号处理旨在提高图像的质量和清晰度，使得成像结果更加准确和准确。
信号处理的主要方法包括放大、噪声过滤、增强对比度和颜色校正等。
放大图像信号可以使细节更加清晰可见，噪声过滤则能够消除由于传感器或其他因素引入的干扰信号，增强对比度和颜色校正则能够使图像更具鲜明和真实感。
第五章 直视型电真空成像器件
电子图像的能量增强
像管中的电子图像通过特Βιβλιοθήκη 的静电场或电磁复合场获 得能量增强。
低能量的电子图像在静电场或电磁复合聚焦场的洛伦 兹力作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。 像管中特定设置的静电场或电磁复合场称之为电子光 学系统，具有聚焦电子图像的作用。也称电子透镜。 有些像管中还有MCP（微通道板），通过电子图像的 电子流密度倍增来进行图像增强。
– 点扩散函数p (ξ,ζ)是输入δ(x,y) 函数分布的图像所得的图像 H ( f , f ) G( f , f )O( f , f ) x y x y x y 分布函数； – O(fx,fy)即光学传递函数OTF是 点扩散函数p (ξ,ζ)的傅氏变换 O ( f , f ) T ( f , f ) exp j ( f , f ) x y x y x y 对； – OTF可写成调制传递函数MTF 与相位传递函数PTF的乘积。 n f – 实际应用中的经验公式
2 2 m12 m2 m3
5.2 像管结构类型与性能指标
• 背景特性
在输出荧光屏的图像上， GL 除了有用的成像（信号） 亮度以外，还存在着一 种非成像的附加亮度， 1 Cb Lmax Lmin r , C0 , Lb Ldb Lsb 称为背景（背景亮度）。 C0 Lmax Lmin 产生原因： 1 • 暗背景：阴极热发射， ( Lmax Lb ) ( Lmin Lb ) 2 Lb C C 1 0 0 场致发射。 Lmax Lmin 2 Lb Lmax Lmin • 信号感生背景：阴极透 2 Ldb 2 Lsb 射光、管内散射光、离 r , r db sb 子反馈、光反馈。 Lmax Lmin Lmax Lmin – 等效背景照度 C 1 1 Cb C0 1 rdb rsb , r 1 1 rdb rsb b C0 – 对比恶化系数
《光电成像原理与技术》教学大纲
《光电成像原理与技术》教学大纲课程编号：OPT04043英文名称：The Principle Of Photo-electronic Imaging and Technology学分：3 学时：48 (理论学时：48)先修课程：半导体物理、电动力学、应用光学、物理光学一、目的与任务本课程为光电信息科学与工程专业的专业教育必修课程。
通过本课程的学习，可以培养学生运用所学数理知识和方法认识和分析各种光电成像器件工作机理的能力和创新意识，提高学生对光电成像系统整体技术构成的认识，为他们走上工作岗位从事相关的工作奠定理论基础和技术基础。
通过对本学科新理论、新器件、新系统的认识，还可以使学生了解到本学科的最新发展动态和技术前沿。
本课程的内容亦军亦民，与国防装备密切相关，因此，本课程的学习可以培养学生的爱国主义精神和大国防意识。
课程主要介绍各类光电成像器件的基本工作原理和各种光电成像系统的结构以及相关的学科知识和技术。
课程的任务是使学生掌握光电成像器件的基础理论和光电成像技术的基本原理，完成知识综合的教育和系统应用的教育。
课程强调应用所学习的基础理论和方法分析光电成像器件各环节的物理过程，理解和认识光电成像系统的结构、各子系统的作用，掌握光电成像技术的基本理论、思想方法和基本技术等。
二、教学内容及学时分配（48学时）第1章绪论（2学时）1.1.光电成像技术的产生及发展1.2.光电成像技术对视见光谱域和视见灵敏阈的延伸1.3.光电成像技术的应用范畴1.4.光电成像器件的分类1.5.光电成像器件的特性第2章人眼的视觉特性与图像探测（2学时）2.1.人眼的视觉特性与模型2.2.图像探测理论与图像探测方程2.3.约翰逊准则第3章辐射源与典型景物辐射（2学时）3.1.辐射度量及光度量3.2.朗伯辐射体及其辐射特性3.3.黑体辐射定律3.4.辐射源及其特性第4章辐射在大气中的传输（2学时）4.1 大气的构成4.2 大气消光及大气窗口4.3大气吸收和散射的计算4.4大气消光对光电成像系统性能的影响第5章直视型电真空成像物理（8学时）5.1.像管成像的物理过程5.2.像管的类型与结构5.3.图像的光电转换5.4.电子图像的成像5.5.电子图像的发光显示5.6.光学图像的传像与电子图像的倍增第6章直视型电真空成像系统与特性分析（4学时）6.1.微光夜视系统的结构与特点6.2.直视型微光成像系统的总体设计6.3.主动红外夜视系统的结构与特点6.4.夜视系统的作用距离第7章电视型电真空成像物理（4学时）7.1.电视摄像的基本原理7.2.光电导型摄像器件7.3.光电发射型摄像器件7.4.摄像管的主要性能参数7.5.热释电摄像器件第8章固体成像器件（CCD和CMOS）原理及应用（8学时）D的物理基础D的结构与工作原理D成像原理与性能参数8.4.增强型CCD及其工作原理D的TDI工作方式D的应用8.7.CMOS成像器件及其应用第9章电视型光电成像系统分析（2学时）9.1.电视系统的组成与工作原理9.2.电视信号的发送与接收9.3.实用微光电视系统第10章红外热成像器件成像物理（8学时）10.1.红外探测器的分类10.2.红外探测器的工作条件与性能参数10.3.光电导型红外探测器10.4.光伏型红外探测器10.5.红外焦平面阵列探测器10.6.非制冷红外焦平面阵列探测器10.7.量子阱红外探测器第11章红外热成像系统及其分析（6学时）11.1.热成像系统的分类与基本参数11.2.光机扫描系统11.3.制冷器工作原理与分类11.4.热成像系统视频信号的处理与显示11.5.热成像系统的性能模型与作用距离11.6.热成像系统的总体设计的基本考虑三、考核与成绩评定本课程以课堂教学为主，平时成绩占总成绩的30%（平时考核10％＋课外作业20％）。
第五章 电子衍射衬度成像
当一个电子与一个孤立的核外电子发生散射作用时，由于两者质量 相等，散射过程不仅使入射电子改变运动方向，还发生能量变化，这种 散射叫做非弹性散射。散射角可由下式来定；
e α
Ur e
或
re
e Uα
(5.2)
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5.1.1 质厚衬度成像原理
一个原子序数为Z的原子有Z个核外电子。因此，一个孤立原子 把电子散射到α以外的散射截面，用σ0来表示，等于原子核弹性散射 截面σn和所有核外电子非单性散射截面Z σe之和，即 σ0 = σn + Z σe 。原 子序数越大，产生弹性散射的比例（ σn /Zσe =Z ）就越大。弹性散射 是透射电子显微成像的基础；而非弹性散射引起的色差将使背景强度 增高，图像衬度降低。
5.3衍衬动力学理论(波动光学方程)
5.3.1 电子的散射及其交互作用
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5.3.2完整晶体衍衬动力学方程
第五章 电子衍射衬度成像
5.3.3 完整晶体的动力学方程的解 5.3.4 厚度消光和弯曲消光 5.3.5 反常吸收效应 5.3.6 缺陷晶体衍衬动力学方程及其应用 5.3.7缺陷晶体衍衬像的计算机模拟及其应用
I IBIA1IA
IB
IB
IB
(5.11)
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5.1.1 质厚衬度成像原理
因为 IAI0eQAtA
所以
IBI0eQBtB
I 1e(QAtAQBtB) IB
(5.12)
这说明不同区域的Qt值差别越大，复型的图像衬度越高。倘若复
型是同种材料制成的，如图5.2(a)所示，则QA = QB = Q，那么上式可简
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5.1.2 衍射衬度成像的原理
光电成像原理-第五章 直视型电真空成像物理
像管中常用的电子光学系统有： 纵向均匀静电场的投射成像系统； 轴对称的静电聚焦成像系统； 准球对称的静电聚焦成像系统； 旋转对称的电磁场复合聚焦成像系统等。 二代像管中常使用微通道板(MCP),利用二次电子 发射来实现电子流密度的倍增，从而实现.3
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在实际应用中，为了获得更高的亮度增益，常常 用光学纤维面板将完全相同的像增强器进行多级耦 合，因此像增强器的输入窗和输出窗多由光学纤维 面板制成，以便将球面像转换为平面像，完成极间 耦合。由于每级像增强器都成倒像，故为获得正像， 耦合级数多为奇数，通常为三级。三级级联的像增 强器也称为第一代像增强器。
电子图像的发光显示
为把光电子图像转换成可见的光学图像，通常 需要使用荧光屏。像管中常用的荧光屏材料有多 种，基本材料是金属的硫化物、氧化物或硅酸盐 晶体等，掺杂后具有发光特性。 实验证明，荧光屏由高速电子激发发光的亮度 除与发光材料的性质有关外，主要取决于入射电 子流的密度和加速电压值。当像管中光电子图像 的加速电压一定时，荧光屏的发光亮度正比于入 射光电子流的密度。由此可知，像管的荧光屏可 以将光电子图像转换成可见的光学图像。
M L GL
L
EV
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3.背景特性 合适的亮度是人眼观察图像的必要条件，除了有用 的成像（信号）亮度以外，还存在一种非成像的附加 亮度，称之为背景（或背景亮度）。像管的背景包括 无光照射情况下的暗背景和因入射信号的影响而产生 的附加背景，称为信号感生背景（或光致背景）。暗 背景产生的主要原因是光阴极的热电子发射和颗粒引 起的场致发射。产生信号感生背景的主要原因是阴极 透射光、管内散射光、离子反馈、光反馈所致。 为了 反映背景对像管图像对比度的影响，引入两个参数： 等效背景照度和对比恶化系数。
电子显微图像形成原理
电子显微图像形成原理电子显微图像是扫描电子显微镜下形成的图像，其根本成像原理是阿贝成像原理。
电子衍射形成衍射谱，衍射谱中透射斑与各个衍射斑的球面波相互干涉，在像平面形成图像，形成一副黑白衬度的图像。
究竟其衬度又是如何形成的呢？扫描电子显微镜主要可以产生三种衬度，分别是质厚衬度、衍射衬度、相位衬度。
质厚衬度由于样品不同微区原子序数不同或厚度的不同而形成的衬度叫做质厚衬度。
衍射衬度由于样品不同区域其晶体结构与取向不同，从而导致电子束满足布拉格条件的程度不同，于是在样品下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这种衬度叫做衍射衬度。
如需更好的了解衍射衬度，需要应用到运动学理论，简称衍衬运动学理论。
衍衬运动学理论存在两个基本假设：1.入射电子在样品中只可能受到不多于一次的散射2.入射电子在样品中传播过程中，能量衰减可以被忽略，即衍射束强度与透射束相比始终很小满足以上两种假设，可以得出两个近似条件：1.采用足够薄的样品进行衍射，使电子产生多次散射的机会减少到可以忽略不计的程度。
同时参与衍射的原子不多，衍射束强度较弱。
2.使电子束处于足够偏离布拉格方程的位向，取得较大的偏移量，可以减小衍射束强度。
其中质厚衬度与衍射衬度都属于振幅衬度，振幅衬度是与相位衬度相区别。
振幅衬度是在明暗场成像情况下，由于光束被挡导致其强度降低，从而形成的衬度。
相位衬度由透射束与衍射束在像平面相互干涉，由于透射束与衍射束相位差引起相干波强度的不同，从而形成的衬度叫相位衬度。
应用质厚衬度主要用于生物样品、非晶复型薄膜电子图像。
衍射衬度主要用于分析晶体缺陷。
相位衬度主要用于解释图像衬度与样品结构中原子及其排列情况的对应关系。
明场像选取光阑透过透射束而挡掉衍射束所成的像，叫做明场像。
暗场像选取光阑透过衍射束而挡掉透射束所形成的像，叫做暗场像，其中不移动光阑就透过衍射束而形成的像叫中心暗场像。
高分辨率像透射束加衍射束相互干涉形成的像，可以获得高分辨率的晶格点阵像和晶格结构像，展现物质材料在原子尺度上的精细结构。
电子成像原理
电子成像原理
电子成像是指利用电子技术将物体的影像转化为电子信号，并通过电子设备显示出来的一种成像技术。
其原理基于光电效应和电子传输技术。
电子成像的原理主要包括以下几个步骤：
1. 光电转换：首先，光线通过透镜或其他光学元件聚焦到光电转换的夫琅禾费电子倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）或者光电二极管（Photodiode）等器件上。
光电转换器件内的光敏材料会受到光的能量激发，产生光电子。
2. 入射电子转换：光电子会经过加速电场的作用，进一步转化为入射电子。
入射电子被聚束系统聚焦成一束细且平行的电子束。
3. 电子传输：入射电子束经过一系列的聚焦透镜和磁场聚束装置，按照一定的轨道进行传输。
这些透镜和磁场聚束装置的功能是调节电子束的路径，使其能够准确扫描物体表面。
4. 信号采集与处理：在电子束扫描物体表面的过程中，入射电子会与物体表面发生相互作用，产生散射电子。
散射电子的信息被探测器接收，并转换为电信号。
5. 数字化与显示：采集到的电信号经过放大、放大、滤波等处理后，被转换为数字化的信号。
这些数字信号经过编码和压缩等处理，最终通过显示屏或其他图像显示设备展示出来。
通过以上步骤，电子成像实现了物体影像的转换、传输与显示。
电子成像技术广泛应用于电子显微镜、电子望远镜、电视摄像机、数码相机等领域。
成像理论重点
成像理论重点X线成像理论傅里叶变换的物理意义：图像重建：将获得影像数值作f(x)，将它进行傅氏变换H（w），然后将傅氏变换F（w）进行逆变换，可得到原来的影像数值f(t),即为图像重建。
MTF:整个成像系统的光学传递函数等于各个单元光学传递黄数的乘积，即：H（w）=H1（w）*H2(w)﹉﹉Hn(w)上式包括了调制传递函数︱H（w）︱和相位传递@（w）的关系，即;︱H（w）︱=︱H1（w）︱*︱H2(w)︱﹉﹉︱Hn(w)︱α（w）=α1（w）+α2(w)……+ αn(w)各单元的MTF值只会使总的成像系统的MTF值降低，不可能有补偿作用：可见总的MTF值比任何一个单元的MTF都低。
MTF是描述成像系统优劣程度的物理量。
人眼观察的影像模糊的空间频率并不是理论上的极限分辨力，而是MTF值等于0.05所对应的的空间频率，此频率称为鉴别频率。
MTF的物理意义：1.MTF曲线横坐标便是空间频率（Lp/mm）w=1/2d(Lp/mm),显然横坐标各个w值是按病灶线径大小d值而排列的一组数值。
当d↑则w↓当d→∞，则w=0，当d→1/2d，则MTF=0 d代表病灶的大小，此w 值称为极限分辨力。
2．纵坐标︱H（w）︱表示MTF值，表示的是︱H（w）︱随着空间频率w值变化而变化，即表示输出影像的不同的信号.大小（w值）的再现率︱︱H（w）︱是不一样的。
卷积计算成像：I (x)=∫I(x)L(x-t)dt 即I（x）=I(x)*L（x）上式分析说明，光学成像系统的影像亮度分布I（x）可用理想成像亮度分布I（x）同线扩散函数L（x）d的卷积求出。
意义：使能量重新分布，使输出的影像亮度对比度降低。
极限分辨率公式及应用：几何学模糊：空间分辨率：是指在某物体间对X线吸收具有高的差异、形成高对比的条件下，鉴别其细微结构的能力。
密度分辨力：是指在低对比度情况下分辨物体密度微小差异的能力。
X线质的表示方法：⑴常规X线：KVCI滤过，管电压，固定滤过，附加滤过⑵400kv以下：用半价层表示⑶400kv以上：用半值深度HVD表示。
电子成像原理
光导体光导体是一端电阻会随入射光强度变化的两端点半导体装置。
材料设计上需要感光物质与电子传感物质作为光导体的基础材料；其运作原理简单的说是利用感光物质接受光能量以后会失去电子，再利用电子传感物质作为电子传感的介质达到降低电阻的效果。
市面上制作光导体的材料可以分为两大类--有机光导体与无机光导体。
有机光导体即我们常听到的OPC英文全名叫做Organic Photo-Conductor，是利用树脂、感光物质与导电物质组成的元件；而无机光导体则是利用半导体材料制作而成一般常用的材料如：硫化镉及硒化镉。
有机感光体可以分成两种制作方式，一种是单层感光体即将树脂、感光物质与导电物质三者混合；另一种是多层感光体，是将感光物质与导电物质分开，目前市面上的有机感光体大都属于这一种。
光导体的基材为铝或铝合金（aluminum substrate），其上有3层材料以形成光导体的结构。
第一层为吸附层或氧化层（adhesive layer or met al oxide blocking layer）约5μm(1μm＝1×10-6公尺)；第二层为感光层亦为电荷产生层(C harge Generation Layer简称CGL) 的现象。
3.电刷带电：此方式是利用导电毛刷与感光鼓接触，在感光鼓表面放电。
电刷带电的缺点与带电滚轮类似，但其污染性更为严重。
目前各主要厂家的打印机已经少用此种带电方式。
【2】写入：由于感光鼓为一光电材料，照光前为绝缘体，照光后为导体。
感光鼓照光后，表面电荷因感光鼓变导体而将电荷导掉，故只需要将欲写入的符号变成数位讯号利用光束打在感光鼓上，在被光打到的区域即会有一"静电成像"。
【3】成像：成像步骤即是利用摩擦起电原理或电荷注入的方式，让碳粉表面带静电，接着在感光鼓与成像滚筒间施加电场将碳粉转移至已有静电成像的感光鼓上，达成成像的目的。
成像步骤的重点在于碳粉制造技术与让碳粉如何均匀带电，目前发展出来的方式大致可分成三种碳粉带电方式：非接触式单成分磁性碳粉成像、接触式单成分非磁性碳粉成像与双成分成像。
第5章 光学成像的波动学原理PPT课件
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.2 阿贝成像原理的傅里叶描述
基本思想：无论是平面波还是球面波照明，二次衍射成像过程实际上就是 光学系统对透过物体的光波的两次傅里叶变换过程。
第一次变换：从物平面到照明光源的共轭像平面——频谱分解
U x f , y f FU xG , yG
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.1 阿贝成像原理
(1) 平面光波照明下的二次衍射成像
成像光路：以相干平面光波照明下的光栅（正弦光栅）成像为例
两对共轭平面：位于无限远处的光源平面与其共轭像平面——透镜L的像方 焦平面F'，物（光栅）平面G与其共轭像平面Q'。
G
Q1 Q0 Q2
分别观看相应的影像画面。当左右眼画面替换的速度较高时，人的眼睛将
由于视觉暂留效应而感觉不出左右眼画面的时间差，从而可将两者合成为
一幅立体画面。
偏振图像合成法
拍摄和显示原理与体视摄影法类似，只是在两个成像镜头前分别装有 起偏方向正交的偏振片。显示时分别将两幅影像用偏振方向正交的平面偏 振光投影在同一屏幕上，观察者需要戴一副左右眼镜片偏振方向正交的偏 振眼镜。
5 光学成像的波动学原理
5.2 全息成像
5.1.1 光学成像的平面性与空间立体性
体视摄影法
仿照人的双眼成像原理，采用双照相机系统，两照相机的主光轴相 对物体在水平方向保持微小夹角，同时从不同角度拍摄到物体的两幅影 像。观察时让左右眼睛分别观察由左右相机拍摄到的图片（在体视显微 镜下），便可获得体视效果。
第5章
光学成像的波动学原理
5 光学成像的波动学原理
主要内容
第五章 电子图像的成像理论
这类方程可通过第一类边界条件(即阳极电位分布)求解。在 没有点电荷即没有奇异点的空间里， V是解析函数，故可以 将之展开为幂级数，如
利用因 r≠0而必须令各系数等于零的条件，最后可得到
称为谢尔赤公式
• 在大多数电子光学问题中，主要是考虑 近轴的情况
• 相应的场强分量为
• 在近轴区，通常略去高次幂项，作用在 电子上的电场力
由此可知，电子所受的径向力与 r及 φ’’(z)成正比，受力的方向 由 φ’’(z)的符号决定。若φ’’(z)＞0，则径向力 Fr的方向与 r的方 向相反，指向对称轴，电子受到会聚作用；反之， φ’’(z)＜0， 则电子所受到的径向力是离轴的，电子受到发散作用。因此， φ’’(z)的正或负是判别旋转对称静电场对电子是起会聚作用还是 起发散作用的依据，也是静电透镜的本质所在。
• 5.2.2 旋转对称静磁场
旋转对称静磁场是电子光学系统中广泛应用的磁场，而 且是最早知道具有电子光学聚焦成像性能的场。 由于矢量磁位 A只是作为运算工具而引入的辅助概念， 故通常在圆柱坐标系中，选择
拉普拉斯方程为
• 同静电场情况类似，在 r很小的近轴范围 内，
由此可知，在近轴区轴向磁场 Bz(z，r)的大小就是 B(z)，而 与 r无关；径向磁场 Br(z，r)的大小与离轴距离 r成正比。另 外，由于 r很小，故 Br<<Bz，这样，近轴区的磁力线可近似 地看做与 z轴平行而类似于长螺线管内的纵向磁场。显然，这 种磁场对电子束具有聚焦的作用。
• 磁场对电子的作用力由洛伦兹公式决定
式中 θ为电子在坐标θ方向上的速度分量。可见磁场在r 方向对电子的作用力与r成正比，这是磁场使电子束能够 理想聚焦成像的条件。
5.3.1 电子在电磁场中的运动方程
电子成像过程范文
电子成像过程范文电子成像是指利用电子束或电子波的特性对物体进行成像和观测的过程。
电子成像技术广泛应用于物理、化学、生物等领域，以及电子显微镜、电子探针、电子束光刻等设备中。
以下将详细介绍电子成像的过程。
一、电子成像的基本原理电子成像基于电子波的波粒二象性和电子-物质相互作用原理。
根据德布罗意波动方程，电子波的波长与电子速度存在反比关系，即波长越短，速度越快。
而电子束的波长一般为纳米量级，比光波的波长小很多。
这使得电子成像能够达到更高的分辨率和放大倍数。
电子成像的过程主要包括两个步骤：电子源的发射和加速，以及电子和物质的相互作用。
1.电子源的发射和加速：电子源一般采用热发射电子源或冷阴极电子源。
热发射电子源利用热电子发射效应，通过升高阴极温度使电子产生热电子发射，然后通过电场加速电子束。
冷阴极电子源则利用供电电压和真空场的结合，通过量子隧道效应使电子发射，然后加速电子束。
2.电子-物质相互作用：电子束射向样品后，与样品中的原子或分子发生相互作用。
这种相互作用包括散射、透射、吸收、辐射等过程。
样品中的原子核和电子发生的散射一般用于确定样品的晶体结构和元素成分。
电子束透射通过样品而不与其发生相互作用，用于获取样品内部结构的信息。
二、电子成像的技术电子成像技术主要包括传统电子显微镜和扫描电子显微镜两种。
1.传统电子显微镜：传统电子显微镜包括透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。
-透射电子显微镜：透射电子显微镜通过样品中的物质对电子束的散射、吸收和透射进行成像。
它能够提供非常高的分辨率，可以观察到纳米级别的细节。
透射电子显微镜主要用于研究材料的晶体结构、元素成分和表面形貌等。
-扫描电子显微镜：扫描电子显微镜利用电子束对样品表面的散射进行成像。
它可以提供三维表面形貌和元素分布的信息。
扫描电子显微镜主要用于材料的表面形貌、微结构的研究以及对无法进行透射观察的样品进行分析。
2.扫描隧道显微镜（STM）：扫描隧道显微镜利用电子束的量子隧道效应进行成像和测量。
电子成像的原理
电子成像的原理
电子成像是指利用电子束或电子波在物体表面扫描并探测物体信息，再通过电子信号转换和图像重建技术，实现对物体形貌、结构和组成的可视化显示的过程。
电子成像的原理主要涉及电子发射、电子透镜系统和信号转换及图像重建三个方面。
首先，电子成像的第一步是通过电子发射器产生电子束。
电子发射器的常见类型有热阴极电子枪和场发射电子枪。
热阴极电子枪是通过加热阴极使其发射电子；场发射电子枪则是通过施加高电场，使电子从钨尖端发射出来。
这些发射的电子束会经过一系列的电子透镜系统进行聚焦和控制。
接下来，电子束进入电子透镜系统。
电子透镜系统通常由一组磁场和电场透镜组成，可以用来聚焦和调整电子束的传输特性，以避免电子束的散布和扩散。
其中，磁场透镜使用磁场对电子进行聚焦，而电场透镜则利用电场的作用来控制电子束的传输方向和散射情况。
最后，电子束和物体表面进行相互作用后，电子会被散射、反射或吸收。
这些与物体相互作用的电子将被转换为电子信号，并经过信号转换器进行转化。
转换后的信号可以通过图像重建技术，如扫描电子显微镜(SEM)中的光电倍增管或荧光屏幕等，将电子信号转换为可视化的图像。
综上所述，电子成像的原理主要包括电子发射、电子透镜系统
和信号转换及图像重建三个方面，通过这些步骤，利用电子束在物体表面的扫描和物体与电子的相互作用，最终实现对物体信息可视化的显示。
电子图像原理知识点总结
电子图像原理知识点总结一、数字图像的基本概念1.1 像素像素是构成图像的基本单元，它是图像中最小的可以表示颜色或亮度的点。
每个像素都有其特定的颜色或亮度数值，这些数值可以通过数字来表示。
像素的密度称为分辨率，分辨率越高表示图像中包含的像素数目越多，图像的细节和清晰度也会越高。
1.2 色彩模式图像的色彩模式定义了图像中颜色表示的方式。
常见的色彩模式包括RGB、CMYK、灰度等。
RGB色彩模式将颜色表示为红、绿、蓝三原色的组合，CMYK色彩模式常用于印刷行业，将颜色表示为青、洋红、黄、黑四种油墨的组合。
灰度色彩模式表示图像中的颜色只有黑白两种。
1.3 图像格式图像格式定义了图像数据的存储方式，常见的图像格式包括JPEG、PNG、BMP等。
不同的图像格式有不同的压缩算法和数据存储方式，它们适用于不同的应用场景。
二、图像的捕获原理2.1 光学成像图像的捕获过程通常是通过光学设备完成的，例如数码相机、摄像机等。
当光线经过镜头和光学元件后，会在光敏元件上形成一个光学投影，这个投影就是图像的原始数据。
不同的光学设备有不同的成像原理和参数，这些参数会影响到图像的质量和清晰度。
2.2 光敏元件光敏元件是图像捕获的核心部件，它们负责将光学投影转换为电信号。
常见的光敏元件包括CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器。
它们都可以将光信号转换为电信号，并且可以通过控制单元进行信号处理和输出。
2.3 像素数组在光敏元件上，像素被排列成一个二维数组，并且每个像素对应一个光敏单元。
当光线投影到光敏元件上时，不同位置的光线会激发相应位置的光敏单元，从而生成对应位置的电信号。
这些电信号经过采样和量化后就得到了数字图像的数据。
三、图像的处理原理3.1 采样和量化采样是指将连续的光信号转换为离散的电信号，量化是指将模拟信号转换为数字信号。
采样和量化的参数会影响图像的分辨率和色彩深度，采用适当的采样和量化参数可以保证图像数据的准确性和完整性。
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• 5.2.2 旋转对称静磁场
旋转对称静磁场是电子光学系统中广泛应用的磁场，而 且是最早知道具有电子光学聚焦成像性能的场。 由于矢量磁位 A只是作为运算工具而引入的辅助概念， 故通常在圆柱坐标系中，选择
拉普拉斯方程为
• 同静电场情况类似，在 r很小的近轴范围 内，
由此可知，在近轴区轴向磁场 Bz(z，r)的大小就是 B(z)，而 与 r无关；径向磁场 Br(z，r)的大小与离轴距离 r成正比。另 外，由于 r很小，故 Br<<Bz，这样，近轴区的磁力线可近似 地看做与 z轴平行而类似于长螺线管内的纵向磁场。显然，这 种磁场对电子束具有聚焦的作用。
这类方程可通过第一类边界条件(即阳极电位分布)求解。在 没有点电荷即没有奇异点的空间里， V是解析函数，故可以 将之展开为幂级数，如
利用因 r≠0而必须令各系数等于零的条件，最后可得到
称为谢尔赤公式
• 在大多数电子光学问题中，主要是考虑 近轴的情况
• 相应的场强分量为
• 在近轴区，通常略去高次幂项，作用在 电子上的电场力
此即在没有自由电流的静磁场中矢量磁位函数 A必须满足的二阶偏微分方程。
5.2 旋转对称场中的场方程
• 5.2.1旋转对称静电场
如果电极系统对某一轴具有旋转对称状，例如由同轴的 双圆筒组成的如图5—l所示系统，在两个圆筒上加上 不同的电位，所形成的静电场即为旋转对称静电场， 或称为轴对称场。
• 在圆柱坐标系中，拉普拉斯方程为
由此可知，电子所受的径向力与 r及 φ’’(z)成正比，受力的方向 由 φ’’(z)的符号决定。若φ’’(z)＞0，则径向力 Fr的方向与 r的方 向相反，指向对称轴，电子受到会聚作用；反之， φ’’(z)＜0， 则电子所受到的径向力是离轴的，电子受到发散作用。因此， φ’’(z)的正或负是判别旋转对称静电场对电子是起会聚作用还是 起发散作用的依据，也是静电透镜的本质所在。
• 它的主要研究内容包括：解决电子光学 系统中场的分布(等价于几何光学中的折 射率分布)问题；研究电子的运动规律和 运动轨迹；讨论理想成像和各类特殊类 型的电子透镜等及其像差理论。
• 讨论和研究弱流细束电子光学条件如下： ① 所研究的场为静场，即场与时问无关 或随时问变化甚慢，亦即静场只是空间 坐标的函数； ② 在真空中； ③ 忽略电子束本身的空间电荷(或电流) 分布对场的影响； ④ 电子速度远小于光速，即不考虑相对 论修正。
5.1 电子光学的基本方程
• 解释各种电子光学现象及进行电子光学 系统的计算和设计，必须了解电子在电 磁场中的运动规律。要研究电子在由电 子光学系统确定的电、磁场中的运动规 律，又必须知道电、磁场的具体分布， 以求得电子光学折射率的分布，从而决 定该系统的电子光学折射性质和聚焦成 像性质。
• 电子光学系统中的场分布具有比较复杂 的形式，是与空间坐标有关的非均匀场。 求解电、磁场的场分布问题，在数学上 归结为用电动力学和数学物理方法求解 场所满足的偏微分方程的边值问题。但 获得解析解的情况是有限的，大多数情 况是应用计算机进行数值计算或实验方 法来确定场的分布。
• 磁场对电子的作用力由洛伦兹公式决定
式中 θ为电子在坐标θ方向上的速度分量。可见磁场在r 方向对电子的作用力与r成正比，这是磁场使电子束能够 理想聚焦成像的条件。
5.3.1 电子在电磁场中的运动方程
• 运动速度为 v的电子在电、磁场同时存在 的复合场中所受的作用力为
在直角坐标系中
这表明磁场所产生的力只能改变电子运动的方向而不能 改变电子的能量，电子在电子光学系统中获得能量来源 于电场。
第五章
电子图像的成像理论
• 像管光阴极发出的电子图像是通过电子 光学系统的作用聚焦成像到输出像面上 并完成电子图像的能量增强。电子光学 系统也称为电子透镜。 • 电子光学理论中，研究电子束聚焦成 像和偏转，起电子透镜和电子棱镜作用 的分支称为弱流细束电子光学，由于其 分析聚焦成像方式同几何光学相似，故 也称之为几何电子光学。
电磁场理论是以麦克斯韦方程为基础的，即：
当所讨论的空间没有空间电荷和空间电流。
•
从(5—3)式中的第一式可见，E是无旋 场，因此可用电位函数 V来描述，
这说明在没有空间电荷时 V满足拉普拉斯方程。
• 而由(5-4)式的第二式可知 B是无源场。 因此可引入矢量磁位函数 A，其定义为 • 由电动力学可知，矢量磁位函数 A只是 它的无源部分确定的，而其无旋部分可 以任意选。为此，可令 A的无旋部分为 零而只有无源部分，亦即 A满足下述附 加条件
可见，当电子在静电和静磁场中运动时，电子的动 能和位能之和保持不变。
这里的eV。即为以电子伏特表示的电子初能量的等效电位 能。 V。则等价于静止的阴极电子获得初始速度v。所需的 加速电位，称为初电位。
5.3.2 电子在电磁场中的轨迹方程
5.5.3 旋转对称电磁场的 聚焦成像性能
• 理想成像应满足： • (l)物平面上某点发出的电子，在场的作 用下能在像平面上会聚于相应的像点上。 • (2)像和物的几何形状相似。横向放大率 与物的大小无关。