一種透射電鏡成像裝置的大視野設計

劉冰川，余英豪 ， 曲利娟，劉慶宏 ，王陳海 ，陳自謙福州總醫院 .醫學影像科；.病理科；.醫學工程科，福建 福州 350025

0 前言

透射電鏡數字成像裝置主要有底裝和側裝兩種類型[1]，由于透射電鏡電子光路的特點，這兩類數字成像裝置在視野和空間分辨率等主要參數上有很大區別。如何在保證透射電鏡空間分辨率的前提下，提高該類型裝置的視野一直是工程技術人員追求的目標。

1 透射電鏡圖像的形成和放大倍數

透射電鏡的電子光路示意圖，見圖1。反映樣品信息的透射電子束或衍射花樣最后由透射電鏡的投影鏡投射到電子傳感器上成像，這里的電子傳感器主要指側裝傳感器11、觀察熒光屏12、底插膠片13、底裝傳感器14等。其中，側裝傳感器11包括35 mm相機使用的135規格膠片和數字成像裝置的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）或 CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器；底插膠片13大多使用規格為90 mm×60 mm電子感光膠片；底裝傳感器14指底裝數字成像裝置的CCD或CMOS圖像傳感器。

圖1 透射電鏡電子光路示意圖

從圖1看出，不同位置的電子傳感器所生成的圖像，對應的透射電鏡放大倍數是不同的，而且也因不同型號的透射電鏡或成像裝置而異。以飛利浦EM-208S透射電鏡為例，如果F1-F2（底插膠片感光位置）對應放大倍數1，則B1-B2（底裝傳感器感光位置）對應的放大倍數約為1.5，VS1-VS2（觀察熒光屏感光位置）對應放大倍數為0.888，S1-S2（側裝傳感器感光位置）對應的放大倍數為0.313[2]。

2 成像裝置的視野和空間分辨率

視野（Field of View，FOV）是描述透射電鏡成像裝置性能的一個重要技術參數，如Gatan公司的ES500W（Model 752）[3]和 ES1000W（Model 785）[4]都把“比傳統膠片視野大”作為其突出特點介紹；TVIPS的頂級數字成像裝置TemCam-F816[5]也強調視野大，傳感器有效面積比標準膠片的2倍還大，為128 mm×128 mm。TVIPS公司的TemCam-F816因傳感器大而說其視野大，Gatan公司上述產品的傳感器顯然小多了，其視野的含義與前者明顯不同。

如果 圖 1 中的 S1-S2、 VS1-VS2、 F1-F2、 B1-B2 就是該位置的電子傳感器，其長度分別代表各自傳感器的大小，則它們所生成的圖像所對應的樣品范圍相同，或者說它們的視野相同。由于不同位置所對應透射電鏡的放大倍數不同，它們所得到的圖像反映的樣品信息也不一樣。對于飛利浦EM-208S透射電鏡而言，如果 S1-S2、F1-F2是性能相同的膠片，在某電鏡放大倍數（M）下，F1-F2所拍攝圖像正好能分辨樣品細節，此時S1-S2所拍攝的圖像只會是模糊一片；要讓S1-S2與F1-F2有同樣的空間分辨率，電鏡放大倍數必須＞3M，這時視野就只有原來的1/9。視野和空間分辨率是一對不能割裂的矛盾，必須同時考慮，因此，對于給定的空間分辨率，透射電鏡成像裝置的視野取決于傳感器的空間分辨率和傳感器的大小。

3 現有成像裝置的視野

現有成像裝置視野示意圖，見圖2。21表示Gatan Model 782傳感器的長邊（約28 mm），22表示飛利浦EM-208S的觀察熒光屏（直徑約150 mm），23表示通用底插膠片的長邊（90 mm），24表示TVIPS的TemCam-F816傳感器的邊長（128 mm），都按比例繪制。

從圖2容易看出Gatan Model 782成像裝置21的“視野”大于通用底插膠片23和TemCam-F816成像裝置24的“視野”。比較普遍認為側裝型成像裝置的視野大于底插膠片及底裝型成像裝置的視野，其道理正在于此。然而，從前一節已經得出：在空間分辨率相同條件下，側裝成像裝置在視野上沒有優勢，視野主要取決于圖像傳感器的大小。擁有巨大的圖像傳感器（128 mm×128 mm）的TemCam-F816，天然具備大視野能力，但某些客觀因素的存在讓TemCam-F816這種大視野方案不能充分發揮其優勢。第一，部分透射電鏡，如飛利浦EM-208S的底部開口的孔徑只有70 mm；日本電子公司的JEM-200CX等，電子束只能通過觀察熒光屏上的一個與底插膠片對應的快門窗口下行約90 mm×60 mm，讓TemCam-F816根本無法實現超大視野。第二，與底插膠片比較，TemCam-F816有大于它1.5倍（以下以1.5計算）的放大倍數，但并不能提高透射電鏡的分辨率；與此類比的如普通光學顯微鏡，物鏡100×和目鏡15×的組合放大倍數是1500×，已達極限分辨率，如果把目鏡換成25×，雖然此時放大倍數達2500×，并不能使被觀察樣本圖像的細節更清晰，視為無效放大[6]。第三，在透射電鏡極限放大倍數條件下，TemCam-F816無助于提高透射電鏡的分辨率，而它的視野（128 mm÷1.5=85.3 mm，＜90 mm）與通用底插膠片相比又沒有優勢。第四，頂級產品，如TVIPS 公司的 TemCam-F816等，向來不可能被絕大多數的普通用戶使用。

綜上所述，Gatan公司Model 782類側裝型和TVIPS 公司TemCam-F816的底裝型成像裝置都不能向普通用戶提供理想的大視野。

4 成像裝置大視野設計的考慮

觀察熒光屏（圖2的22）和底插膠片（圖2的23），它們是伴隨透射電鏡誕生就存在的成像裝置。底插膠片所拍攝的圖像長期以來是衡量透射電鏡最重要參數-分辨率的依據，因此，底插膠片位置是成像裝置傳感器最理想的位置，觀察熒光屏由于很接近底插膠片位置也是理想的成像位置。

觀察熒光屏由于是在金屬板上涂覆熒光物質而成，不透光，不能用于透射成像。如果在底插膠片位置安裝透射電子熒光屏，一是會與底插膠片相機沖突，二是為位于觀察熒光屏下方操作不方便，甚至在有些透射電鏡上由于觀察熒光屏結構的特殊而不能實現大視野。

如果在透明基材（如光學平板玻璃）上制作熒光粉層，一方面可以供操作者觀察（反射成像），又能為熒光粉層背面的圖像傳感器提供光學信號（透射成像），這樣的熒光屏，即透射/反射熒光屏。

在圖3中，32替代了原裝觀察熒光屏的透射/反射熒光屏，透射電子束或衍射花樣31投射在32上，激發32上的熒光粉產生光學圖像。電鏡操作者可透過鉛玻璃窗口33觀察32上光學圖像，此光學圖像還同時成像在底裝成像裝置的光學圖像傳感器35上，形成數字圖像并在計算機36上顯示和被處理。

圖3 大視野透射電鏡成像裝置示意圖

在圖4中，用透射/反射熒光屏41替換飛利浦EM-208S透射電鏡原觀察熒光屏，42是通用膠片，41與42的距離為55 mm，41相對于42的放大倍數為0.888。設定成像裝置傳感器長寬比為4/3，如柯達公司的KAF-8300CCD傳感器，如果41的有效面積是直徑100mm的圓，則實際成像面積為80×60 mm2。圖4中的SL1-SL2代表41成像的80 mm長邊，其視野相當于42的FL1-FL2（80/0.888≈90 mm）部分，已等同于通用膠片的視野。

圖4 成像裝置視野說明圖

只要41的直徑＞100 mm，其有效視野＞通用膠片的視野，而對于原觀察熒光屏直徑＞150 mm的飛利浦EM-208S透射電鏡來說，容易安裝直徑＞100 mm的透射/反射熒光屏。

5 討論

本文提出用透射/反射熒光屏替代透射電鏡的主熒光屏，可以解決目前側裝型透射電鏡數字成像裝置不能充分利用透射電鏡的放大能力，即底裝型成像裝置視野小的問題；該方案同時也最符合操作人員的使用習慣，因而有望成為一種大眾化的大視野透射電鏡數字成像裝置，特別是需要大視野的生命科學和醫學領域。本裝置正在實施中。

該方案的透射/反射熒光屏沒有占用其他空間，所以成像部分可以與其他底裝附屬裝置共存，是兼容性最好的底裝成像裝置。該裝置方案還具有結構簡單、清晰，可操作性強等特點。本文用一維數據來討論二維參數，雖然可以說明問題，但不夠精確；在分析視野和分辨率的關系時，隱含其他參數為理想條件，如默認電子束的密度或圖像亮度不管放大倍數如何變化都在合適的范圍內，實際情況不可能完全如此。

[1]劉冰川,曲利娟,劉慶宏.透射電子顯微鏡成像方式綜述[J].醫療設備信息,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]郁道銀,談恒英.工程光學[M].3版.北京:機械工業出版社,2011.

[7]朱弋,阮興云,徐志榮,等.飛利浦CM-120透射電鏡性能綜述[J].中國醫學裝備,2007,(9):17-18.