电镜放大倍数越高，看得越清楚吗？

说明：本文华算科技主要介绍电镜放大倍数、像素采样与实际分辨率的区别，以及电子信号、噪声和样品状态怎样决定图像中的细节。

电镜的“放大倍数”放大了什么？

电镜图像看起来很大，并不等于样品里的细节都被分开了。c（SEM）用细电子束逐点扫过样品，探测器把各位置的信号排成图像；透射电镜（TEM）则让穿过薄样品的电子形成像。放大倍数描述样品上的一段距离在图像中显示得有多长；分辨率则看相邻结构能否被区分。

对SEM而言，显示图像的宽度不变时，扫描视野越窄，标示的放大倍数越高。原来一张图覆盖几十微米，缩小扫描范围后只覆盖几微米，局部颗粒自然占据更多屏幕像素。

图像一经保存，再把它在手机上放大，只会放大已有像素；样品不会因此重新受到一次更密的电子束扫描。

这也解释了为什么同一块样品常要保留低倍和高倍两类图。低倍图显示分布范围，高倍图把其中一处结构展开。两张图承担的空间任务不同：高倍图里看见的片层，不能自动代表低倍视野内每个位置都有同样的结构。

图1. 高氮不锈钢三种时效时间的SEM图；每组上方为较大视野，下方为黄框区域的局部放大。DOI：10.1038/s41598-020-70674-y

上、下两排对应同一批材料的整体区域与局部区域。上排更容易比较析出物在视野中的分布，下排才能看到局部片层的形貌。标尺对应样品的真实距离；图片被重新排版或缩放后，单看“×多少倍”的文字可能失准，片层尺寸仍应按图中标尺换算。

如果关注的是“这块合金里析出物分布得是否均匀”，只保留高倍局部就会丢掉统计范围；如果关注片层之间的间距，低倍图里的几个像素又可能不够用。前者要有覆盖多个晶粒的视野，后者要有足够密的局部采样。

扫描视野缩小能带来多少新信息？

一张SEM图通常由固定行列数的采样点组成。若横向视野是10微米、图像宽1000像素，样品上的采样间距是10纳米/像素；把视野缩到5微米而仍用1000像素扫描，间距变成5纳米/像素。重新扫描改变了样品上的采样位置，在电脑里把原图拉大则没有改变。

但像素间距只是格点间隔。电子束在样品上的束斑有宽度，入射电子还会在材料内散射，探测到的信号来自一定区域。

假设两条细线相距5纳米，而有效信号本身已经模糊到十几纳米，继续把像素间距从10纳米压到5纳米，只会更密地记录同一片模糊信号。

一项金纳米颗粒SEM实验给出了具体对照：同一区域在10000倍下的像素尺寸为14.2纳米，在20000倍下为7.1纳米。较高倍原始采集图能把一些相邻颗粒的间隙分开；较低倍输入图即便先插值放大两倍，也没有凭空得到这些实测间隙。

图2. 金纳米颗粒低倍输入图、神经网络重建图与独立采集的高倍图，以及颗粒间隙的灰度剖面。DOI：10.1038/s41598-019-48444-2

图中间列经过训练网络推断，右列才是独立采集的高倍图，两者不能视作同一种“放大”。网络利用训练样本估计低倍图中缺失的细节，结果需要与高倍原始采集图比较；普通插值只是增加显示像素。

研究中的采样受像素数限制，换成束斑更宽、样品移动或荷电更重的条件，倍率翻倍就未必能得到同样的间隙改善。

同一块铸铁样品的另一项SEM实验还比较了扫描时间怎样分配。均匀短驻留图有明显噪声，滤波后灰度变平滑，局部细节却跟着消失；自适应扫描把更多时间留给有结构的区域，图中仍可与长驻留参考图对照。

图3. 同一铸铁区域的自适应扫描、长驻留参考图、均匀短驻留图和滤波图；滤波后部分小细节消失。DOI：10.1038/srep25350

读这类图时，像素尺寸回答“取样有多密”，标尺回答“图上的长度对应样品多远”。滤波或神经网络处理改变灰度外观，原始采集和处理结果在细小边界上仍需要分别辨认。

为什么像素够密却依然无法分辨细节？

当采样不再是主要瓶颈，成像链条中的电子光学和样品响应就更显眼。SEM中的束斑直径受电子源、物镜和聚焦状态影响；加速电压、探测器选择与样品组成又改变电子在样品中产生和逸出的信号。同一个倍率数字，在不同工作距离、束流和探测条件下不对应同一分辨率。

电子束即使聚焦，也不是没有面积的几何点。二次电子更偏向表层，背散射电子的信号范围又与束能、材料和探测几何有关。束斑和信号作用范围叠在一起，细颗粒的灰度峰可能被邻近基体信号展宽；电子束再密集地扫过，也只能重复记录这条被展宽的边界。

在TEM或扫描透射电镜（STEM）里，高倍显示同样不能替代清楚的成像信号。电子透过薄片后的散射、透镜像差、探测方式和电子剂量会共同决定图中的高频结构。若两个原子柱的信号已经重叠，扩大图像只会扩大重叠的亮斑。

MoSe₂/WS₂双层样品的一项STEM研究把这一点展示得很直观：两种成像方式的像素尺寸约为0.20埃和0.19埃，数字几乎相同，但衍射信息和原子柱剖面所显示的可分辨细节并不相同。衍射图样重建相位与环形暗场信号记录的空间频率不同。

图4. MoSe₂/WS₂双层的电子叠层成像重建、相近区域暗场图、衍射信息与原子柱剖面。DOI：10.1038/s41467-020-16688-6

这组比较使用了相同的物镜孔径和相近剂量，但暗场图来自相似区域，并非逐像素重合的同一视野。图中约0.69埃的频率信息来自这组实验的衍射图，不能写成所有电镜都能达到的数值。电子探测器获取的散射信息与重建方式，决定哪些高频信号能进入最终图像。

实际观察粗糙断面或颗粒时，聚焦与像散也会改变边缘宽度；倾斜表面的不同高度可能有不同焦点。低倍时不明显的虚边，到高倍会占据更多显示像素。若电子束的实际束斑没变，颗粒外缘附近的灰度过渡仍会铺在相近的样品距离上。

高倍图里的颗粒边缘为什么有时更糊？

SEM逐点收集电子信号。每个像素停留得很短、束流又低时，收集到的电子数少，随机涨落在灰度里更明显。细小颗粒的边缘容易淹没在颗粒状噪声中；延长驻留时间或重复扫描可增加计数，却会增加采集时间和电子照射。

提高倍率本身不会自动减少单个像素的电子数；在短驻留、低束流的组合下，边缘附近的灰度起伏才会增大。

串行块面SEM的一组同场比较把像素驻留时间从短到长逐步增加，未处理图中的噪声随之减弱；另一幅经算法去噪的短驻留图看起来也更平滑。去噪改变的是灰度外观，它也可能压弱细弱边界；经过处理的纹理需要与原始采集信号区分。

图5. 同一区域块面SEM图像：短驻留原图、算法去噪图及两种较长驻留图的噪声与细节对照。DOI：10.1038/s41467-020-14529-0

短驻留与长驻留图的差别，主要来自每个位置积累的信号量，而不是图像被放大了几次。对聚合物、含水生物样品或绝缘颗粒，延长照射还可能带来形变或荷电；这类变化会沿着扫描时间逐渐改变颗粒边缘。

绝缘样品若不能及时导走入射电荷，表面电势会改变电子束落点和二次电子的收集。结果可能是局部过亮、发黑、条纹、漂移或轮廓变形。高倍视野更小，这些局部伪影占据的画面比例更大，图上的“粗边”可能随扫描方向移动。

在块面SEM成像中，研究人员用掺碳导电树脂和普通树脂包埋组织。普通树脂的图像出现暗区与局部扭曲，导电树脂条件下这些荷电影响减轻。两组样品的制备条件有差别，图像中的对比反映的是导电路径对荷电的影响，不能单独量化某台仪器的极限分辨率。

图6. 普通树脂与掺碳导电树脂包埋组织的块面SEM图；暗区、扭曲和局部模糊随导电条件改变。DOI：10.1038/srep23721

回到材料颗粒或断面，高倍有价值的情形是扫描间距原本太疏，缩小视野后，稳定的独立边界开始出现；如果只是噪声颗粒放大、边缘漂移或亮暗随扫描方向变化，聚焦、像散、驻留时间和样品导电性会改变这些信号。若低倍视野内的孔径和颗粒间距分布很宽，单处高倍图对应的只是其中一个局部区域。