声光超快可变焦透镜

超透镜是实现透镜成像功能的光学超表面，它基于亚波长的人工结构单元对入射光的相位与振幅等参量进行调控，实现透镜聚焦或成像的功能。超透镜具有超轻超薄的平面结构，可以组成高集成度的成像系统，有望替代传统光学系统中繁琐的透镜组。但利用超透镜实现可见光波段的主动变焦成像仍面临挑战。光子轨道角动量（OAM）是一种新颖的光场调控维度，携带OAM的涡旋光束具有螺旋型相位波前，中心相位存在奇点，同时不同拓扑荷之间保持本征正交无串扰的物理属性，为主动调控提供全新的技术手段，在微粒操控、超分辨显微成像、大容量光通信等领域应用前景广阔。近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室的李俊杰研究组和纳米物理与器件实验室的顾长志研究组（N10）一起，提出了一种基于轨道角动量(OAM)的多波段选择解码方法，通过全介质TiO2超表面结构的独特设计，实现了可见光频段多路复用的主动变焦超透镜。他们设计了具有面内C2旋转对称性和螺旋排布的TiO2高深宽比纳米鳍阵列结构，成功实现了较高转极化率的圆偏振光调制，同时利用附加的Pancharatnam Berry (PB)相位实现了2π范围的有效螺旋相位调控（图1）。超透镜中包含了四个OAM通道，对应四个焦距深度的聚焦。当入射光携带的OAM拓扑荷数l与超透镜中通道设计的螺旋相位模式l’互为相反数时（ l=l' ），该通道获得解码。因此，四种OAM入射可以实现超透镜在四个焦距位置上的聚焦，通过切换入射光携带OAM的模式即可实现主动切换焦距的功能，在532 nm处获得了5-35 mm的四个焦点（图2）。这种主动变焦的超透镜显示出在非机械转换成像和三维成像等领域具有重要应用潜力。该研究成果以“Active Multiband Varifocal Metalenses Based on Orbital Angular Momentum Division Multiplexing”为题，于2022年07月25日在线发表在《Nature Communications》上。N10组的博士研究生郑睿瑄为第一作者，顾长志和李俊杰为通讯作者，北京理工大学的黄玲玲教授和蒋强博士在测试方面提供了支持。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院和北京市科委的项目资助。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32044-2 图1. 主动变焦超透镜的功能示意图图2.主动变焦超透镜在532nm处的聚焦光斑强度、半径及景深

近日，瞬态光学与光子技术国家重点实验室在太赫兹频段可变焦消色差超透镜领域取得新进展，相关研究成果发表于Journal of Science: Advanced Materials and Devices(IF = 7.38)。论文第一作者为博士生江晓强，通讯作者为范文慧研究员。 　　超透镜是一种二维平面透镜结构，具有体积小、重量轻、易于集成等特点，可实现对太赫兹波振幅、相位、偏振等参量的灵活调控，有望解决天然材料在太赫兹频段电磁响应不足而导致的效率低、体积大等问题。近年来，消色差超透镜由于能够有效消除宽频带成像产生的色差问题而受到广泛关注。然而，如何在实现宽频带消色差的同时，赋予超透镜连续变焦的能力，仍然是目前亟待解决的难题。 　　针对此问题，研究团队首先基于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料锑化铟(InSb)设计了性能优异的单元结构。随后，研究团队采用几何相位和传输相位相结合的方式，巧妙设计超透镜单元结构的排布方式与空间取向，采用单层超透镜实现了太赫兹波的宽频带聚焦，有效消除了色差现象。进一步地通过改变器件工作温度，进而调控器件单元结构的相位补偿范围，实现了焦距736.25 μm (NA = 0.62)至 861.02 μm(NA = 0.56)的连续变焦。本研究成果为设计多功能消色差超透镜提供了一种新思路，有望进一步拓展太赫兹频段超透镜在显微成像和内窥镜等领域的实际应用。 图1 连续变焦消色差超透镜工作示意图 　　西安光机所范文慧研究员带领的太赫兹光子学与表面微纳智造团队已在超宽频谱太赫兹波产生与探测、超快太赫兹波谱成像与应用、太赫兹频段超材料与超表面功能器件等领域开展持续研究并取得一定突破。相关研究成果陆续发表于Angewandte Chemie - International Edition、Carbon、Journal of Science: Advanced Materials and Devices、Optics Letters、Optics Express、Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy、Nanomaterials等国际知名期刊，获得了国内外同行的广泛认同。

p style="text-indent: 2em text-align: justify "近期，中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室微纳光子集成课题组利用单层超透镜（metalens）实现了左、右旋圆偏振光在三维空间的分离聚焦，打破了以往自旋相关光束聚焦的对称性，超越了传统几何光学透镜的光场聚焦能力，对光学成像研究具有重要意义。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "传统几何光学透镜仅是通过玻璃厚度的变化来调节入射光相位实现聚焦，无法完成矢量光场（如偏振、自旋等）的操控。超透镜是一种二维平面透镜结构，其体积极小，重量轻，易于集成，可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控，在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面有重要应用。该研究利用构成超透镜的纳米天线动力学相位与Pancharatnam-Berry几何相位结合的方法，通过巧妙设计超透镜上纳米天线几何结构与空间取向，在单层超透镜上同时实现了左、右旋圆偏振光相位的独立操控，在横向和径向完成了不同自旋态光束的聚焦，提升了超透镜的光束操控及聚焦能力，具有结构紧凑、灵活性强等优点，能够满足光学系统及器件小型化功能多样化的要求。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "该研究得到中科院战略性先导科技专项（B类)“大规模光子集成芯片”和国家自然科学基金项目的大力资助。相关成果发表在《先进光学材料》（Advanced Optical Materials）上。/p

近日，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授、宋清海教授课题组，提出一种基于像素编码的片上数字型超构透镜，因其灵活的设计自由度而具备强大的光场调控能力。该工作以折叠级联的方式构建了高度紧凑的色散元件，结合重构算法实现了片上集成的高分辨率光谱仪。文章提出的数字型超构透镜可显著提升面内光束聚焦、准直和偏转能力。所设计的级联折叠型超构透镜组能够很好地解决传统色散光谱仪尺寸和分辨率互为矛盾的问题。结合重构算法，该器件以100 μm ×100 μm的紧凑尺寸在近红外波段超过35 nm的波长范围内实现了0.14 nm的分辨率，并且可以完成任意光谱的重构和解析。该光谱仪完全通过标准硅光工艺制造，在系统级集成和CMOS兼容性方面具有优势。所提出的超构透镜结构还可移植到氮化硅或其他光子集成平台，以轻松扩展到可见光或中红外波长等波段，为成像、光学计算等其他应用提供有力的光场调控方案。该研究成果以“Folded digital meta-lenses for on-chip spectrometer”为题于2023年4月11日在线发表在《Nano Letters》上。随着物联网、消费电子等应用领域的不断发展，对光谱仪的小型化提出了更高的要求。近40年里，光谱仪的微型化技术经历了从基于分立器件技术到集成光学技术的发展，逐渐趋于低成本和片上集成化。近年来，受到自由空间超构表面波前调控的启发，基于超构波导的一些平面内衍射光网络正在成为片上光波操纵的有力工具。目前已报道的片上超构系统都是基于各单元长度不等的传输阵列，结构规则简单但设计自由度受限，导致系统集成度和功能的局限性。如何突破设计自由度的限制，是提升片上超构表面光场调控能力以及拓展应用的关键。借助超构表面强大的光学操控能力，有望突破传统片上光谱仪分辨率和器件尺寸相互制约的矛盾。为了解决设计自由度受限的问题，文章提出了一种基于像素编码的数字型超构表面。基本思想为求解超构表面目标相位分布。为降低算力消耗，我们将目标区域划分为多个单元，通过逆向设计对每个单元图案分别进行编码，在平面任意区域实现任意相位响应。与数字型超构波导在局部区域内的原位控制不同，本文提出的数字型超构表面可以整体操纵面内波衍射及其在整个平板区域内的传播。这种特性使该结构能够设计连续大相位梯度的高色散数字型超构透镜，允许光束在紧凑的尺寸内实现聚焦、准直和大角度弯曲等类似几何光学透镜的功能。具体设计原理如图1所示。图1. 基于数字型超构表面的超构透镜逆向设计原理。(a)超构透镜在1550 nm处的光弯曲 (θ=45°)和聚焦(f = 19.5 μm)的射线光学演示。(b)透镜的理想相位轮廓曲线(φ)，可视为45°弯曲相位曲线 (φ1)和聚焦相位曲线(φ2)的叠加。I:计算的绝对相位，II:对应的菲涅耳相位。(c)每个单元的优化器件图案和对应的理想相位曲线(φ)。(d) 计算出的理想相位掩模（黑色实线）与所设计超构透镜的模拟相位响应（红色虚线）之间的比较。(e)所设计单个超构透镜的模拟光场分布。(f)模拟超构透镜的焦点AI不同波长下沿x'轴的偏移。插图为不同波长下焦点的横截面光场分布图。要实现更高的波长分辨率，需要累积色差和增加光程。为了验证设计效果，本文设计并制备了一种基于五层折叠超构透镜的光谱仪，器件尺寸仅为100 μm×100 μm。该器件的模拟光场和实测结果如图2所示。图2(a)中的五层超构透镜功能不同，透镜I用于准直扩束输入光同时转折光路，透镜II-IV则承担着累积色散和波长分束的作用。受到读出波导间距的限制，此时该器件直接读出的分辨率约为1 nm (图2(d))。为了进一步提高光谱仪性能以及器件的制备容差，在色散分光的基础上引入了光谱重构算法。图2. 基于五层折叠超构透镜的光谱仪。(a)五层折叠超构透镜光谱仪在1550 nm处的模拟光场分布。(b)器件尺寸为100 μm×100 μm的光谱仪显微镜图像。插图:超构透镜和输出波导阵列的局部电镜图像。(c)器件实测的输出强度与输入波长的映射图。(d)两个相邻输出通道11和12的透射光谱，通道间距约为1 nm。(e)谱相关函数C(δλ)的半高半宽δλ为0.108 nm，与光谱仪的估计分辨率相对应。为了体现光谱仪的性能，构造了几种不同类型的预编程光谱来测试光谱仪的性能。重构光谱见图3。结果表明，结合重构算法后，该光谱仪的光谱分辨率提升至0.14 nm(图3(a))，整体工作带宽覆盖1530 nm-1565 nm，且性能在边带依旧保持稳定(图3(c))。此外，对于同时具有宽高斯背景和窄带单峰特征的复杂频谱(图3(d))，本文提出的片上光谱仪依旧能与商用光谱仪保持良好的一致性。图3. 使用基于五个折叠超构透镜的片上光谱仪进行光谱重建（实线表示重建光谱，虚线表示商用光谱仪测试结果）。(a)两条相隔约0.14 nm的窄光谱线的重建光谱。(b)距离约20.61 nm的双峰重建光谱。(c)在工作带宽上分别重建7处不同波长的窄带光谱。(d)宽带光源入射的重建光谱。此文提出的基于数字型超构透镜的片上光谱仪在超过35 nm的波长范围内实现了0.14 nm的分辨率。整体尺寸仅为100 μm ×100 μm，最小特征尺寸为120 nm，可通过标准硅光工艺大规模制造。该设计方案具有可移植性，使用氮化硅或其他集成平台，基于超构透镜的光谱仪可以扩展到可见光或中红外波长。目前器件的数据读出依赖于片外功率计，可以通过集成片上光电探测器阵列来改善。此外，片上数字型超构透镜作为一种功能强大的片上光场调控器件，在成像、光计算等领域也有应用潜力。

超透镜能够超越传统光学成像分辨率的极限，实现亚波长级别的微观结构和生物分子的更好观测。然而，超透镜的本征损耗一直是该领域长期存在的关键科学问题，限制了成像分辨率的进一步提升。　　近日，来自香港大学、国家纳米科学中心和英国帝国理工学院等机构的研究人员密切合作，提出了多频率组合复频波激发超透镜成像理论机制，通过虚拟增益来抵消本征损耗，成功提高了超透镜的成像分辨率约一个量级。该研究成果于8月18日在《科学》杂志上在线发表。　　“超透镜”概念最早由英国帝国理工学院教授John Pendry于2000年首次提出。根据理论预测，超透镜将具有突破传统光学成像分辨率极限的能力。随后，为实现超透镜构想，中国科学院外籍院士、香港大学教授张翔团队率先提出了新型银-聚合物超透镜的实验方案，极大推动了超透镜技术的发展和应用。此后，各国科学家纷纷加大研究投入，超透镜迅速成为光学领域的热门课题，并被广泛应用于生物医学、光纤通信、光学成像等场景。合成复频波方法提升超透镜成像质量的原理示意图（研究团队供图）　　目前，基于极化激元材料和超构材料的超透镜已被广泛验证可以实现亚衍射成像，但其本征损耗的严重限制了其分辨率进一步提升，从而也限制了其应用发展。　　为了解决这一重大挑战，由香港大学教授张霜、张翔、国家纳米科学中心研究员戴庆以及John Pendry组成国际科研团队开展联合攻关。　　在最新发表的论文中，张霜介绍：“针对光学损耗提出一种实用的解决方案，即借助多频率组合的复频波激发来获得虚拟增益，进而抵消光学体系的本征损耗。”　　作为验证，他们把这一方案运用到超透镜成像机制，理论上实现了成像分辨率的显著提升。最后，进一步借助微波频段双曲超构材料的超透镜实验进行了论证，获得与理论预期一致的良好成像效果。　　戴庆团队基于长期对原子制造技术下的高动量极化激元的积累，创制了基于合成复频波的碳化硅声子极化激元超透镜。“我们最终实现了超透镜成像分辨率约一个量级的提升，相信这将对光学成像领域产生巨大影响。”戴庆表示。　　科研人员介绍，合成复频波技术是一种克服光子学系统本征损耗的实用方法，不仅在超透镜成像领域有卓越的表现，还可以扩展到光学的其他领域，包括极化激元分子传感和波导器件等。该方法还可以针对不同的系统和几何形状进行定制化应用，为提高多频段光学性能、设计高密度集成光子芯片等方向提供了一条潜在的途径。　　“这是一个优美而普适的方法，可以拓展到其它波动体系来弥补损耗问题，如声波、弹性波以及量子波等。”张翔说。　　香港大学博士后管福鑫、国家纳米科学中心特别研究助理郭相东和香港大学博士生曾可博为本文共同一作。张霜、张翔、戴庆和John Pendry为本文共同通讯作者。

日常生活中人们通过颜色与明暗差异来识别物体，感知空间维度上的物质信息。与人类的眼睛只能感知可见光不同，一些生物能够接收到人类看不到的图像信息，例如虾姑能够感知紫外与红外波段而乌贼可以通过独特的眼睛构造识别偏振信息。　　从描述光子本征属性的维度出发，光子除了具有强度维度外，还具有波长、偏振、拓扑荷等多种维度属性，其中一组正交的物理量可以作为无串扰的图像信息通道从而携带不同的外部信息。如虾姑与乌贼，其独特的图像感知能力使其能够看到人眼所看不到的信息，帮助其更好地完成捕猎、躲避危险、与同伴交流等活动，从而获得生存优势。　　人类利用光学器件同样能够获得更卓越的“人工视觉”。如常用于地球遥感的红外偏振相机，通过波长与偏振的调制能够筛选识别出复杂环境下的具有红外与偏振特征的目标物。然而现阶段传统器件依然存在的问题是，为了实现多维度的感知功能，往往需要多种光学元件进行级联组合，导致器件体积、重量庞大，同时也引起了能量的损失与图像信息的误差累计。因此，可以说虽然人们制造的“人工视觉”光子器件已经实现了远超自然界的绝对性能，但在体积与集成性方面，相对于虾姑与乌贼精巧的视觉器官，传统器件依然没有超越自然界数十亿年的进化。　　中国科学院上海技术物理研究所李冠海、陈效双、陆卫课题组与澳大利亚新南威尔士大学Andrey Miroshnichenko教授合作利用超构单元像素级的光场多维度调控能力，基于与传统硅基半导体工艺兼容的全硅双折射超表面体系在中波红外范围实现了色散调控模式下的波片式偏振解耦宽带中红外成像光子器件，能够实现比昆虫复眼更小尺寸下的光场调控与成像。　　经过设计的光子成像器件由于像素级单元在波长-偏振维度的双重衍射效果设计，能够将正交偏振通道上的不同图像汇聚到不同的深度上，从而为后续级联的光处理器件与电处理器件提供了直接的物理接口。同时，研究团队也实现了消色差与消偏振的微型中红外光子成像器件，实现了集成的宽谱消偏振成像。值得注意的是，其不仅能够在工作波段内同时采集两个正交通道上的图像信息，同时其单元的结构排布角度，能够消除大入射角下的偏振效应，从而提升图像的准确度。　　研究者相信，该研究成果将会为研究相对比较匮乏、难度较大但具有广泛应用前景的中波红外光电探测领域提供新的契机，该研究成果有望在自由空间量子通信、三维激光雷达、航空遥感等领域得到应用。　　该研究得到了科技部重点研发计划量子调控和量子信息专项、纳米专项、国家自然科学基金委、上海市科委启明星项目、中国科学院青年创新促进会等项目的支持。图1 (a)不同正交偏振通道的消色差超透镜示意图；(b)用于不同偏振态调控的单元数据图；(c)超表面单元在不同波长及偏振下的等效折射率、透过率与相位分布示意图；

2024年1月9日，钢研纳克检测技术股份有限公司公开了“一种用于电感耦合等离子体质谱仪的聚焦传输透镜装置”的发明专利，公开号为CN117373899A。发明人为：沈学静 王雷 李凯 任立志 方哲 王超刚 王立平 王海舟。　　发明内容　　本发明的目的是提供一种用于电感耦合等离子体质谱仪的聚焦传输透镜装置，能够在三重四极质谱仪结构基础上增设三个透镜，通过灵活施加三个透镜的电压使其有助于离子沿离子光轴集中和聚焦，有效提高离子传输效率，从而提高质谱仪的灵敏度。　　为实现上述目的，本发明提供了如下方案：　　一种用于电感耦合等离子体质谱仪的聚焦传输透镜装置，所述电感耦合等离子体质谱仪为三重四极质谱仪，所述聚焦传输透镜装置设置在所述三重四极质谱仪的第一级四极杆与第二级多极杆之间或第二级多极杆与第三级四极杆之间 　　所述聚焦传输透镜装置包括：依次设置的透镜一、透镜二、透镜三，所述透镜一、透镜二、透镜三之间互不接触且相对距离可调节，所述透镜一、透镜二、透镜三的中心均开设有通孔，且所述透镜一、透镜二、透镜三的通孔的中心处于同一水平轴 通过直流电压施加装置分别对所述透镜一、透镜二和透镜三施加零电压、正电压或负电压。　　专利内容为：本发明涉及电感耦合等离子体质谱仪技术领域，公开了一种用于电感耦合等离子体质谱仪的聚焦传输透镜装置，应用于三重四极质谱仪，设置在所述三重四极质谱仪的第一级四极杆与第二级多极杆之间或第二级多极杆与第三级四极杆之间 所述聚焦传输透镜装置包括：依次设置的透镜一、透镜二、透镜三，透镜一、透镜二、透镜三之间互不接触且相对距离可调节，所述透镜一、透镜二、透镜三的中心均开设有通孔，且通孔的中心处于同一水平轴 通过直流电压施加装置分别对透镜一、透镜二和透镜三施加零电压、正电压或负电压。本发明提供的聚焦传输透镜装置，能够实现对电压的灵活施加，实现离子的有效传输与聚焦，从而提高质谱仪的灵敏度。

微透镜阵列是由微米级或亚毫米级透镜按一定规律排列而成的阵列，被广泛应用于光学和光子学领域，包括立体显示、光均匀化、光束整形和三维成像等。与单个透镜相比，微透镜阵列可以收集每一点上的信息，如入射光线的强度和角度。在集成成像系统中，微透镜阵列上的透镜从不同的观察角度在不同的空间位置捕捉一组子图像，而这些图像可以被重建在一起以提供一个伪视觉。此外，在光场成像系统中，位于物镜和图像传感器之间的微透镜阵列能够在单次摄影曝光下收集空间和方向信息，无需聚焦于3D物体。大多数的微透镜阵列中，所有透镜的焦距都是相同的，这导致景深狭窄、深度感知能力有限。因此，这些微透镜阵列不能直接获取距离不同的物体的清晰图像。近日，上海理工大学张大伟教授课题组提出了一种多焦距微透镜阵列的制作方法。该微透镜阵列制造过程具体如下：首先，利用摩方精密面投影微立体光刻3D打印技术（nanoArch P140，BMF Precision，Shenzhen, China）制备出孔壁呈不同倾斜角度的微孔阵列，再采用旋涂的方法使微孔中残留部分光敏树脂并得到不同曲率的液面，最后经过PDMS翻模即可得到多焦距微透镜阵列。该多焦距透镜阵列能够扩展成像景深，具有感知物体深度的能力。该成果以“Fabrication of uniform-aperture multi-focus microlens array by curving microfluid in the microholes with inclined walls”为题发表在光学期刊Optics Express上。图一 多焦距微透镜阵列制作原理图图二 (a) 多焦距微透镜阵列设计，(b) 3D打印的微孔阵列，(c) 复刻的多焦距微透镜阵列，(d) 多焦距微透镜阵列局部显微图。图三 利用多焦距微透镜阵列拍摄不同物距情况下的物体，物距为(a) 14.3mm，(b) 28.5mm，(c) 45.5mm时拍摄的图像。当物距为14.3mm时，中心区域的透镜可呈现清晰图像；当物体移离微透镜阵列时，外圈的透镜可以呈现清晰的图像。文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.425333官网：https://www.bmftec.cn/links/10

微透镜阵列是由微米级或亚毫米级透镜按一定规律排列而成的阵列，被广泛应用于光学和光子学领域，包括立体显示、光均匀化、光束整形和三维成像等。与单个透镜相比，微透镜阵列可以收集每一点上的信息，如入射光线的强度和角度。在集成成像系统中，微透镜阵列上的透镜从不同的观察角度在不同的空间位置捕捉一组子图像，而这些图像可以被重建在一起以提供一个伪视觉。此外，在光场成像系统中，位于物镜和图像传感器之间的微透镜阵列能够在单次摄影曝光下收集空间和方向信息，无需聚焦于3D物体。大多数的微透镜阵列中，所有透镜的焦距都是相同的，这导致景深狭窄、深度感知能力有限。因此，这些微透镜阵列不能直接获取距离不同的物体的清晰图像。近日，上海理工大学张大伟教授课题组提出了一种多焦距微透镜阵列的制作方法。该微透镜阵列制造过程具体如下：首先，利用摩方精密面投影微立体光刻3D打印技术（nanoArch P140，BMF Precision，Shenzhen, China）制备出孔壁呈不同倾斜角度的微孔阵列，再采用旋涂的方法使微孔中残留部分光敏树脂并得到不同曲率的液面，最后经过PDMS翻模即可得到多焦距微透镜阵列。该多焦距透镜阵列能够扩展成像景深，具有感知物体深度的能力。该成果以“Fabrication of uniform-aperture multi-focus microlens array by curving microfluid in the microholes with inclined walls”为题发表在光学期刊Optics Express上。图一 多焦距微透镜阵列制作原理图图二 (a) 多焦距微透镜阵列设计，(b) 3D打印的微孔阵列，(c) 复刻的多焦距微透镜阵列，(d) 多焦距微透镜阵列局部显微图。图三 利用多焦距微透镜阵列拍摄不同物距情况下的物体，物距为(a) 14.3mm，(b) 28.5mm，(c) 45.5mm时拍摄的图像。当物距为14.3mm时，中心区域的透镜可呈现清晰图像；当物体移离微透镜阵列时，外圈的透镜可以呈现清晰的图像。文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.425333官网：https://www.bmftec.cn/links/10

p　　将超表面透镜和MEMS技术相结合，或能为光学系统带来高速扫描和增强的聚焦能力。/pp　　目前，透镜技术在各个领域都获得了长足的发展，从数码相机到高带宽光纤，再到激光干涉仪引力波天文台 LIGO的仪器设备等。现在，利用标准的计算机芯片制造技术开发出了一种新的透镜技术，或将替代传统曲面透镜复杂的多层结构和几何结构。/pcenterimg alt="" src="http://07.imgmini.eastday.com/mobile/20180226/20180226155844_edbff27bad1f96d86a071f94afa52e29_1.jpeg" height="249" width="533"//centerp　　集成在MEMS扫描器上的基于超表面技术的平面透镜(超级透镜)，左图为扫描电镜图片，右图为光学显微成像图片。在MEMS器件上集成超级透镜，将有助于整合高速动态控制和精确波阵面空间控制优势，打造光控制新模型/pp　　与传统曲面透镜不同，基于超表面光学纳米材料的平面透镜相对更轻。当超表面亚波长纳米结构形成某种重复图纹时，它们便可以模仿能够折射光线的复杂曲度，但是体积更小，聚光能力更强，同时还能减少失真。不过，大部分这种纳米结构器件都是静态的，功能性有限。/pp　　据麦姆斯咨询报道，超级透镜技术开拓者——美国哈佛大学应用物理学家Federico Capasso，和MEMS技术早期开发者——美国阿尔贡国家实验室纳米制造和器件小组负责人Daniel Lopez，他们俩来了一番头脑风暴，为超级透镜增加了运动控制能力，例如快速扫描和光束控制能力，或将开辟超级透镜新应用。/pp　　Capasso和Lopez联手开发了一款器件，在MEMS上集成了中红外光谱超级透镜。他们将该研究成果发表在了本周的《APL Photonics》期刊上。/pp　　MEMS是一种结合微电子和微机械的半导体技术，在计算机和智能手机中可以找到，包括传感器、执行器和微齿轮等机械微结构。MEMS现在几乎无处不在，从智能手机到汽车安全气囊、生物传感器件以及光学器件等，MEMS可以借助典型计算机芯片中的半导体技术完成制造。/p

为了进一步提高红外变焦光学系统的性能，兼顾其空间分辨率和灵敏度的要求，基于可变冷光阑技术的制冷型变F数红外探测器需求迫切。相较于传统的红外变焦光学系统，变F数红外变焦光学系统可在大视场和小视场切换时保持分辨率和灵敏度的平衡，提高光学系统的孔径利用率，进而缩小光学系统的径向尺寸，有利于红外光学系统成像质量的提升和小型化设计。昆明物理研究所科研团队对变F数与变焦之间的关系进行研究，概述了国内外在可变冷光阑红外探测器技术领域的研究进展，并对主流技术路线的关键技术难点进行了分析。相关研究内容以“可变冷光阑红外探测器研究进展和关键技术分析”为题发表在《红外技术》期刊上。变焦和变F数的关系变焦光学系统的理论依据：光学系统的焦距是一项重要的设计指标，其关系到系统的视场角、空间分辨率等关键性能。变F数与变焦的关系：为了理清变焦与变F数的关系，首先对传统的红外变焦系统进行分析。传统变焦系统中，探测器的F数是固定不变的，而光学系统（为方便讨论，将冷屏作为光学系统的一部分）的F数则分以下几种情况：① 假设系统在最长焦距时入瞳尺寸与物镜尺寸相等：该种情况下，光学系统的F数由最长焦距和物镜尺寸的比值决定，此时冷屏开口即为系统的孔径光阑。在系统由最长焦距切换到短焦状态时，孔径光阑及其尺寸均保持不变，入瞳由原来占满整个物镜逐步等比例缩小。由F数的公式可知，此时光学系统的F数保持不变。如图1所示，探测器的F数固定不变，为F/3，在长焦窄视场时，通光孔径被完全利用，见图中浅蓝色部分；当系统切换至短焦大视场状态时，通光孔径大幅减小，见图1中深蓝色部分。图1 传统变焦红外光学系统的孔径利用率示意图② 假设系统在最短焦距时入瞳尺寸与物镜尺寸相等：该种情况下，系统的F数由最短焦距和物镜尺寸的比值决定。在系统由短焦向长焦切换时，由于物镜尺寸固定，孔径光阑不再是冷屏开口，物镜边框成为了新的孔径光阑，也就是说此时虽然焦距在变大，但是入瞳直径保持不变，使得光学系统的F数逐步增加，并大于探测器的F数，造成冷屏效率的下降。如图2所示，光学系统的F数为F/6，探测器的F数为F/3，光学系统的F数大于探测器，光学系统自身产生的红外辐射大量的进入焦平面，大幅增加系统的NETD，干扰成像。图2 25%冷屏效率系统的辐射示意图实际的变焦光学系统设计时，往往是上述两种情况的平衡，通常不会只考虑某一个状态的性能。而对于变F数光学系统来说，在设计时保证系统在各个焦距下的孔径光阑均为探测器冷光阑，则当系统由长焦变换到短焦时，通过等比例增大冷光阑尺寸，可保证入瞳尺寸保持不变，通光孔径被充分利用，如图3所示。图3 变F数红外光学系统的孔径利用率示意图当系统由短焦变为长焦时，变F数光学系统可以通过等比例减小探测器冷光阑开口尺寸，使得探测器的F数变大，从而保持100%的冷屏效率，避免系统自身的杂散辐射进入焦平面，如图4所示。图4 100%冷屏效率系统的辐射示意图变焦光学系统可兼顾大视场搜索目标和极小视场识别目标的需求，但是由于探测器的F数固定不变，因此要么不能充分利用通光孔径，要么引入大量杂散辐射，不能达到最佳的成像质量。而变F数光学系统则可以很好地解决上述问题。因此理论上，凡是红外变焦光学系统应用的场合，变F数光学系统均可应用，具有广泛的应用前景。可变冷光阑红外探测器的研究进展可变冷光阑的优势可变冷光阑红外探测器技术是目前实现变F数红外系统的重要技术路线。相对于温阑来说，其具有以下几个优势：F数调节范围大且可连续调节。为了解决温阑自身及反射的杂散辐射对成像的影响问题，通常做成球面温阑，这使得F数调节范围小，通常只有两个F数可以选择，或者只能在某两个接近的F数之间进行调节，而可变冷光阑红外探测器可实现系统F数的连续可调，且调节范围较大。可降低系统的复杂度。在传统变焦光学系统中增加温阑设计，将大幅增加光学系统的复杂度和成本。而采用可变冷光阑红外探测器，只需针对探测器杜瓦封装结构进行设计和装配，可大幅降低系统的复杂度。可提升系统的灵敏度。长春光机所的常松涛等人研究了球面温阑对中波640×512（15 μm）红外探测器的NETD的影响，假设球面温阑的温度为20℃，球面温阑的发射率为0.01，当温阑发生0.5℃的温度变化时，温阑引入的NETD达到3.6 mK，虽然引入的NETD很小，但也接近目前探测器本身的NETD。而采用可变冷光阑探测器的方法，引入的NETD可进一步降低。可变冷光阑红外探测器的研究进展国外研究进展：美国弹道导弹防御局（BMDO）在2000年为高空观测系统（HALO）进行更新时设计了一个双波段红外分光系统。如图5所示，该系统在中波和长波的焦平面前端分别设置滤光片转盘，每个转盘上可放置5片不同带通的滤光片以及一片用于背景测试的空白片。美国OKSI公司的Nahum Gat等人先后开发了两套中继光学系统，如图6所示。2013年Nahum Gat等人提出了与杜瓦集成封装的内置式可变冷光阑结构，该结构相较于外置可变冷光阑结构来说结构紧凑，如图7所示。2014年，雷神公司的Jeffrey和Eric等人在Nahum Gat的基础上改进了刀片虹膜式的可变冷光阑结构，其结构示意图如图8所示。雷神公司的第三代前视红外系统是可变冷光阑探测器技术的集大成者。其冷光阑结构如图9所示。此外，雷神公司将中长双波段探测器芯片、双F数可变冷光阑、制冷机、制冷机驱动电路、成像控制电路、冷光阑控制电路等均集成为一个前视红外系统，该系统的体积和重量相对于第二代长波标准先进杜瓦组件（SADA Ⅱ）来说反而更小。包含中长双波段探测器芯片、双F数可变冷光阑、制冷机、成像控制电路、冷光控制电路等均在内的第三代前视红外系统的组成以及实物如图10所示。图5 HALO的双色红外系统图6 带可变冷光阑的真空密封结构和外置可变光阑与滤光片转盘的集成结构图7 刀片虹膜式可变冷光阑图8 双稳态螺线管驱动的可变冷光阑示意图图9 雷神公司可变冷光阑杜瓦俯视图图10 第三代前视红外系统的主要组成部件及系统的实物图国内研究进展：国内对基于可变冷光阑的变F数红外探测器研究较少。上海技物所于2001年发明了一种带可变冷光阑功能的用于红外探测器芯片中测的杜瓦（如图11所示），上海技物所的可变冷光阑结构用于芯片的中测筛选，对结构的小型化以及制冷时间、制冷量的要求不高，因此不适合正式的红外探测器。2014年长春光机所发明了一种与滤光片转盘相似的可变光阑机构（如图12所示）。在光学系统设计方面，613所于2017年设计了可以匹配不同F数探测器的中波大视场光学系统；中电科11所于2022年设计了F/2和F/4可调的变F数光学系统。图11 用于中测杜瓦的可变冷光阑图12 可变式的固定光阑目前国内对于可变冷光阑红外探测器的研究较少，相关产品不够成熟；国外也只有美国雷神公司对该技术进行深入研究，目前产品已进行小批量试制。通过对国内外研究现状的对比，可以发现雷神公司采用的与杜瓦集成封装的内置式可变冷光阑是实现变F数红外探测器的可行的技术路线。该技术路线有如下几点优势：1）集成度高：针对640×480（20 μm）的芯片封装，雷神公司的探测器体积和重量甚至还略小于SADA II探测器；2）可靠性高：可变冷光阑在制冷状态下可进行1万次的开合运动，在非制冷状态下可进行10万次的开合运动；3）功耗低：由于可变冷光阑机构与杜瓦进行集成封装，无需单独为其再配备制冷机，因此功耗不大于75 W，且常温降温时间小于10 min；4）响应时间快：虽然雷神的报道中没有明确说明F数的切换时间，但是根据其使用的压电电机的特性，F数的切换时间可满足光学系统视场切换时间的要求。可变冷光阑红外探测器的关键技术采用刀片虹膜式的可变冷光阑结构，并将其与杜瓦进行集成封装，存在以下关键技术：1）可变冷光阑杜瓦的整体设计技术可变冷光阑杜瓦与传统的固定光阑杜瓦在设计上有很大的不同，需从整体设计上来保证功能的实现。主要需考虑整体结构设计、光阑片的设计、驱动方式的选择、结构的温度控制、整体装配集成、小型化以及可靠性等多方面的技术。2）可变冷光阑精密装配技术可变冷光阑涉及到光阑片的精密装调、驱动电机的隔热装配以及整体结构的精密封装等装配步骤，由于其结构比传统冷屏结构复杂得多，且存在运动部件，其装配更加困难。而光阑片的装配精度关系到运动机构的长期可靠性以及运动过程中的摩擦力，同时影响驱动功率的大小；而驱动电机的装配精度关系到光阑片的受力均匀性以及温控效果；整体结构的装配精度关系到成像的质量。因此需从设计和工艺等多方面进行综合考虑，保证其装配精度及长期可靠性。3）微型电机设计和制造技术对于可变冷光阑来说，压电陶瓷电机是一种比较适合的驱动方式。压电陶瓷电机单位体积下的力矩较大，没有电磁干扰，具有断电自锁功能。一方面，为了缩小可变冷光阑红外探测器的体积，压电陶瓷电机的体积必须很小，另一方面，光阑片的运动阻力要求压电电机的力矩不能过小。因此需通过电机结构设计优化、高性能压电陶瓷的制造、电机制造工艺的改进等多个方面实现小型化大力矩电机的研制，将杜瓦的体积控制在可接受的范围内。4）杜瓦热固耦合设计技术可变冷光阑由于引入了复杂的运动机构，冷头热质量大幅增加，因此，需从结构设计以及材料选择等多方面进行研究和考虑，减小杜瓦热质量，解决快速制冷的问题。此外，可变冷光阑通过电机与杜瓦外壳热连接，需通过结构设计减小杜瓦的漏热。最后，光阑片之间通过叠加的方式互相贴合，热阻很大，需减小光阑片之间以及光阑片与冷屏之间的热阻，从而使光阑片温度降低至不影响焦平面成像的水平。5）可变冷光阑运动控制技术探测器的F数由冷光阑的开口尺寸决定，因此需精确控制冷光阑的运动，从而精确控制探测器的F数。压电陶瓷电机具有断电自锁的功能，即电机断电后可变冷光阑将立即停止运动，停在断电瞬间的位置，因此在控制方面只需要考虑可变冷光阑运动的反馈问题即可，这关键在于选择合适的小型化位置传感器，并结合可变冷光阑的结构设计，将传感器安装固定在合适的位置。6）光阑片表面镀膜技术光阑片表面需进行镀膜处理，膜层需满足摩擦系数小、耐磨以及反射率低3个条件。摩擦系数小可以减小光阑片之间的摩擦力，减小压电电机的力矩需求，有利于电机的小型化；耐磨性高则有利于可变冷光阑机构的可靠性，防止出现膜层脱落干扰成像的现象；反射率低则可以防止芯片的冷反射。结论这项研究从变焦和变F数的关系出发，阐述了变F数光学系统的优势。与传统的变焦光学系统相比，具有可变F数功能的变焦光学系统可兼顾系统的空间分辨率和灵敏度需求，提高系统的孔径利用率，有利于成像质量的提升和系统的小型化。对可变冷光阑的研究进展进行了分析，发现雷神公司的内置刀片虹膜式可变冷光阑是可行性高、性能优异的技术路线，并对该技术路线的关键技术进行了详细分析。对可变冷光阑红外探测器的研究和应用提供了参考。论文信息：http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/7222d189-ab24-490d-9bd9-98f665c31ed1

p　　南京理工大学学生团队研制出新型无透镜全息显微镜，这种中国人自己的新一代显微镜打破国外在该领域的垄断，成本仅为同类产品的百分之一!br//pp　　据南京理工大学官微消息，在第五届“互联网+”大学生创新创业比赛获金奖的队伍中，一支来自南京理工大学电光学院的学生团队strong研/strongstrong制出的新一代无透镜全息显微镜 /strong。/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 386px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/3524107b-4ffc-4b28-8fb9-e5101b28a382.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg" width="450" height="386" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/d4ba7539-616b-4805-8650-15fd7cc1ca01.jpg" title="2.jpg" alt="2.jpg" width="450" height="254" border="0" vspace="0" style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 254px "//pp style="text-align: left "span　　/span观察细胞通常需要染色标记，无法同时实现大视场、高分辨观测，体积庞大、成本高昂，是当今显微镜存在的三大痛点。/pp style="text-align: center "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/14ee853c-da52-4067-98d2-5a3836d97902.jpg" title="3.jpg" alt="3.jpg" width="450" height="485" border="0" vspace="0" style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 485px "//pp　　该团队则突破痛点 ，创造出中国人自己的新一代显微镜。span style="text-align: center "　/spanspan style="text-align: center "　/span/pp　　新华社报道称，这种新一代无透镜全息显微镜打破国外在该领域的垄断，成本仅为同类产品的百分之一 。/pp　　strong中国人自己的新一代显微镜/strong/pp　　strong有多厉害?/strong/pp　　“CyteLive”是该团队研发出的新一代无透镜全息显微镜，不仅可以内置于培养箱，还是目前唯一 能够同时实现非染色、大视场、高分辨、长时间连续观察的显微镜产品，且售价远低于 进口产品。/pp　　“由于细胞是无色透明的，所以通常需要将细胞染色标记再观察。然而，这将损害甚至是杀死细胞，难以实现长时间连续观测。”团队负责人、电光学院博士研究生卢林芃说道。/pp　　团队利用定量相位成像技术，使CyteLive可以在无需对细胞进行任何染色标记的前提下，实现长达数天的连续观测，不仅细胞细节清晰可见，还能准确还原其三维影像，可谓“360度全方位无死角” 。/pp style="text-align: center "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/1d944d2e-2443-4b71-ba19-7e2c61d0addb.jpg" title="4.jpg" alt="4.jpg" width="450" height="273" border="0" vspace="0" style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 273px "//pp style="text-align: center "　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "卢林芃在全国三强争夺赛/span/pp　　卢林芃介绍，传统显微镜镜头受到“物镜比例法则”的制约，大视场和高分辨率不可兼得。“CyteLive”抛弃了传统显微镜的光学镜头，只保留光源和传感器，实现了小型化和轻量化，单手即可托起 。/pp　　“strong它的体积仅有传统显微镜的0.8% ，/strong可直接放在细胞培养箱里进行活细胞箱内观察。”/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 338px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/44074baf-fcc5-4c06-9933-d1a65b7cc0de.jpg" title="5.jpg" alt="5.jpg" width="450" height="338" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "卢林芃在全国三强争夺赛前一个人练习/span/pp　　CyteLive去除了复杂的机械调焦装置，通过先进的计算成像算法，把样品聚焦图像“算”出来，借助自适应超分辨成像技术，成像分辨率可突破至像素尺寸的三分之一，没有物镜却可以实现20倍物镜的成像水平。/pp　　strong无透镜成像技术造就了CyteLive超大的成像视场 ，单幅图像高达一亿像素，视场是传统显微镜的200倍 ，可同时观测10万个血细胞。/strong/pp style="text-align: center "img alt="" src="http://pic.rmb.bdstatic.com/5e074dcd0acc8950670a98d073aaf4109893.gif" width="600" height="427"//pp　　这是CyteLive观测到的海拉细胞(宫颈癌细胞)，单幅图像一亿像素，获得的视场是传统显微镜的200倍/pp　strong　据了解，目前，该型显微镜已经应用于江苏省人民医院、先声药业等机构。团队也与苏州飞时曼、江南永新等国内显微镜企业达成合作，实现商业化落地。/strong/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/8d0a923b-73bc-4212-b530-f6b45502acea.jpg" title="7.jpg" alt="7.jpg"//pp　　对未来市场的进一步探索，团队满怀信心：“我们坚信，通过我们的不懈努力，不远的将来，中国制造的高科技显微镜也能在全世界大放异彩! ”br//p

白内障指眼球内晶状体混浊，眼睛就像蒙上一层霭，致使视力模糊的一种疾病。通常治疗方式会采用外科手术摘除混浊的晶状体，但患者需要佩戴很厚的眼镜或隐形眼镜。近年来，越来越多的白内障手术在摘除晶状体后，会植入直径约6 mm的眼内透镜。眼内透镜会长年保留在眼内，因此，需要严格把控眼内透镜的材质纯度。此次实验测定了常用的丙烯材料眼内透镜中的6种成分。 表1. 成分名称和眼内透镜作用 图1. 混合样品（成分A与成分D浓度为100 mg/L，其他成分为10 mg/L）色谱图 表2. 测定条件 表3. 流动相梯度程序 图2. 样品制备步骤ü　使用梯度分析法，成功实现丙烯材料眼内透镜中的6种成分的分离。 ü　成分D具有宽分子量分布，可检测到3个峰。ü　制备各成分浓度分别为1, 10, 20, 40 mg/L的样品，得到的线性均为1.000。关于日立液相色谱仪的详情，请见链接：https://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/Product-C0102-0-0-1.htm关于日立高新技术公司：日立高新技术公司，于2013年1月，融合了X射线和热分析等核心技术，成立了日立高新技术科学。以“光”“电子线”“X射线”“热”分析为核心技术，精工电子将本公司的全部股份转让给了株式会社日立高新，因此公司变为日立高新的子公司，同时公司名称变更为株式会社日立高新技术科学，扩大了科学计测仪器领域的解决方案。日立高新技术集团产品涵盖半导体制造、生命科学、电子零配件、液晶制造及工业电子材料，产品线更丰富的日立高新技术集团，将继续引领科学领域的核心技术。

瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的科学家开发了一种突破性的X射线消色差透镜。这使得X射线束即使具有不同的波长也可以准确地聚焦在一个点上。根据14日发表在《自然通讯》上的论文，新透镜将使利用X射线研究纳米结构变得更加容易，特别有利于微芯片、电池和材料科学等领域的研发工作。要想在摄影和光学显微镜中产生清晰的图像，消色差透镜必不可少。它们可以确保不同颜色，即不同波长的光，能够清晰聚焦，从而消除模糊现象。直到现在才开发出一种用于X射线的消色差透镜，这一事实乍一看可能令人惊讶，毕竟可见光消色差透镜已经存在了200多年。它们通常由两种不同的材料组成。光线穿透第一种材料，分裂成光谱颜色，就像穿过传统的玻璃棱镜一样。然后，它通过第二种材料来逆转这种效果。在物理学中，分离不同波长的过程称为“色散”。然而，PSIX射线纳米科学与技术实验室X射线光学与应用研究组负责人、物理学家克里斯蒂安大卫解释说：“这种适用于可见光范围的基本原理并不适用于X射线范围。”对于X射线来说，没有哪两种材料的光学性质在很大的波长范围内有足够的差异，从而使一种材料可以抵消另一种材料的影响。换句话说，X射线范围内材料的色散太相似了。此次，科学家没有在两种材料的组合中寻找答案，而是将两种不同的光学原理联系在一起。这项新研究的主要作者亚当库贝克说：“诀窍是意识到我们可以在衍射镜前面放置第二个折射镜。”PSI用已有的纳米光刻技术来制造衍射镜，并用微米级的3D打印制造出折射结构，成功开发出用于X射线的消色差透镜，解决了上述问题。为了表征他们的消色差X射线透镜，科学家们在瑞士同步辐射光源使用了一条X射线光束线，还使用光刻技术来描述X射线光束，从而描述消色差透镜。这使得科学家们能够精确地探测到不同波长的X射线焦点的位置。

据美国航空航天局(NASA)官网报道，NASA喷气推进实验室(JPL)与加州理工学院研究人员合作开发了一种超薄光学透镜，通过“元表面”(metasurface)技术实现对光路的控制，可应用于先进显微镜、显示器材、传感器、摄像机等多种仪器，使光学系统集成度大大提高，并使透镜制造方式产生革命性变化。　　这种透镜的“元表面”由硅晶阵列组成，单个硅晶的横截面为椭圆形。通过改变硅晶的半径与轴向，可以改变通过光线的相位与偏振性，从而使光路弯曲，实现聚焦。传统的光学系统由多组玻璃镜片组成，每个镜片都要求非常精密的制造工艺 而这一新技术可以采用标准的半导体制造工艺，将厚度仅为微米级的“元表面”相互叠加，即可获得所需的光学系统，可以像半导体芯片一样实现大规模批量化自动制造。　　该研究团队正与企业伙伴进行合作，使这一技术进一步商业化。这一项目还获得了美国能源部与国防部高等研究计划局(DARPA)的资助。

2016年1月7日，由中国科学院高能物理研究所为上海交通大学研制的高温超导磁透镜在上海完成了磁场测量，磁场分布结果满足设计要求，将用于电子显微镜的总装调试。　　电子显微镜是用于原子尺度超高时空分辨兆伏特电子衍射与成像系统，利用电子与物质作用所产生的讯号来鉴定微区域晶体结构、微细组织、化学成分、化学键结和电子分布情况的电子光学装置。用超导磁体做成的磁透镜来聚焦电子，是电子显微镜镜筒中的重要部件。　　互相支持高端科研仪器的研制是高能所与上海交大签订的战略合作内容之一，实验物理中心的超导磁体工程中心承担了具体工作。　　高温超导磁透镜是国际上首次用高温超导磁体作为电子显微镜的磁透镜，使用国产的高温超导带材绕制磁体，不用液氦或者液氮等低温介质，用一台脉管制冷机采取传导冷却的方式对磁体降温，最高工作温度约50K。采用高温超导技术，将提高电子显微镜的分辨率，减少整个设备的体积和重量，提高集成度。　　高温超导磁透镜也是高能所研制的第一台高温超导磁体，相关技术将促进我国高端电子显微镜仪器的研制。高温超导磁透镜磁场测量沿磁体轴线的磁场分布

近日，一个由华沙大学物理系，日本筑波物质材料研究所以及法国格勒诺布尔国家科学研究中心所组成的国际科研团队的科学家们通过运用Nanoscribe的3D微纳加工技术设计出了如头发丝般细小的纳米级3D非球面微透镜组。此款具有3D形状的微透镜组可以更大程度从半导体样品导入光源，并将射出部分光源重整为超窄光束。这一突破性的研究成果可替代用于光学测量的实验装置中笨重的显微镜物镜。该微透镜增加了两个数量级的可用工作距离（即透镜前端到样品表面之间的距离），为各种光学实验开辟了全新视角。此外，该3D微透镜也可以在不同材料（包括易碎的石墨烯类材料）上进行3D打印制作。图片来自华沙大学Aleksander Bogucki教授：使用Nanoscribe双光子微纳3D打印设备Photonic Professional系列在短时间内制作的3D非球面微透镜阵列。微透镜的优点透镜是一种人们非常熟悉的光学元件，它属于被动光学元件，在光学系统中用来会聚、发散光辐射。随着科学技术的进步，传统方法制造出来的光学元件已经不能满足当今科技发展的需要了。而利用微光学技术所制造出的微透镜和微透镜阵列以其体积小、重量轻、便于集成化、降低制造和包装成本等优点，已然成为新的科研发展方向。微透镜用处广泛，可用于例如照明，显示器，传感器和医疗设备等领域。有效地进行光的传输和收集，对于微光学系统的性能和潜能有着至关重要的作用。通常，我们会运用不同的方式来增加全内反射临界角或减少界面处的菲涅尔反射，例如在光源发射器下方放置镜子，在防放射层上覆盖基材表面以减少内部反射等。在对于半导体纳米结构，通常会使用半球形的固体浸没透镜（SIL）来解决问题。通过三维减材制造制造的SIL可以增加23%甚至40%的光子提取。但是，这些方法都不能达到令人满意的效果，仍然需要借助使用具有高数值孔径的聚光光学器件。而科学家们此次通过使用Nanoscribe3D激光直写技术（DWL）制造的椭圆微透镜（μ透镜）适用于光谱测量中的点光源发射器。基于菲涅耳反射的减少和全内反射的临界角的增加的原理，该非球面透镜成倍提高了光的提取效率。此外，还将收集的光源重整为超低发散光束（测得的光束发散半角小于1°）。因此，发出的光可以直接以约600-700 mm的有效WD引入聚光光学器件，这是标准的高NA长WD显微镜物镜的70倍。在传统实验中，科学家们通常会将重达半公斤，几乎手掌大小的重型显微镜物镜放置在距离分析样品几毫米的位置上。显而易见，这会限制很多现代实验的操作和可行性，例如在脉冲高磁场，低温或微波腔中的测量实验。而这款基于Nanoscribe3D微纳加工技术具有微型化和轻便特性的非球面微透镜则可以轻松解决这类问题。科学家们对该非球面微透镜阵列在两种类型的半导体发射器上的性能已得到验证：自组装量子点（QDs）和新型准二维材料制成的范德华异质结构（van der Waals heterostructures）。3D微纳加工技术应用于微透镜阵列Nanoscribe的双光子微纳3D打印设备具有极大设计自由度的特点，因此可以轻松制作出具有光学质量表面的各种光学元件，例如球形，非球形甚至自由曲面的微透镜。此外，Nanoscribe的3D微纳打印设备速度很快，在短时间内即可以实现在样品上打印数百个微透镜，并按规则或随机排列阵列，用来实现微透镜阵列的不同新功能及应用。相关文献："Ultra-long-working-distance spectroscopy of single nanostructures with aspherical solid immersion microlenses" - Nature ：Light：Science & Applicationshttps://www.nature.com/articles/s41377-020-0284-1更多有关双光子微纳3D打印产品和技术应用咨询，欢迎联系Nanoscribe中国分公司 - 纳糯三维科技（上海）有限公司 德国Nanoscribe 超高精度双光子微纳3D打印系统： Photonic Professional GT2 双光子微纳3D打印设备 Quantum X 双光子灰度光刻微纳打印设备

近日，中国科学院沈阳自动化研究所在基于微透镜成像研究方面取得新进展，提出一种将原子力显微镜（AFM）与基于微透镜的扫描光学显微镜相结合的无损、快速、多尺度关联成像方法。相关研究成果（Correlative AFM and Scanning Microlens Microscopy for Time-Efficient Multiscale Imaging）发表在Advanced Science上。　　在半导体器件制造中，半导体晶圆的错误检测、缺陷定位和分析对于质量控制和工艺效率至关重要。因此，为了提高芯片特征结构的检测分辨率和效率，需要发展新的大范围、高分辨、快速成像技术。　　为此，依托于沈阳自动化所的机器人学国家重点实验室微纳米自动化团队提出了一种新的关联成像方法。科研人员将微透镜与AFM探针耦合，通过在面向样品的微透镜表面上沉积扫描探针，将基于微透镜的光学成像和AFM两者的优势结合，实现了三种成像模式——微透镜快速高通量扫描光学成像、表面精细结构AFM成像和微透镜AFM同步成像。　　实验结果表明，微透镜的引入提高了传统AFM光学系统的成像分辨率，成像放大率提高了3-4倍，有效地缩小了传统光学成像与AFM之间的分辨率差距。与单一AFM成像模式相比，成像速度提高了约8倍。高通量、高分辨率AFM和扫描超透镜关联显微镜为实现微米到纳米级分辨率的跨尺度快速成像提供了新的技术手段。　　研究工作得到国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目（基于微球超透镜的跨尺度同步微纳观测与操作系统）和机器人学国家重点实验室自主项目的支持。AFM和扫描微透镜关联成像示意图半导体芯片成像结果

近日，中国科学院沈阳自动化研究所在基于微透镜成像方面取得新进展，提出一种将AFM与基于微透镜的扫描光学显微镜相结合的无损、快速、多尺度关联成像方法，相关成果以论文的形式（Correlative AFM and Scanning Microlens Microscopy for Time-Efficient Multiscale Imaging）发表在国际顶级学术期刊Advanced Science (中科院一区，IF= 16.806)。在半导体器件制造中，半导体晶圆的错误检测、缺陷定位和分析对于质量控制和工艺效率至关重要。因此，为了提高芯片特征结构的检测分辨率和效率，需要发展新的大范围、高分辨、快速成像技术。为此，依托于沈阳自动化所的机器人学国家重点实验室微纳米自动化团队提出了一种新的关联成像方法。科研人员将微透镜与AFM探针耦合，通过在面向样品的微透镜表面上沉积扫描探针，将基于微透镜的光学成像和AFM两者的优势结合起来，实现了三种成像模式：微透镜快速高通量扫描光学成像、表面精细结构AFM成像和微透镜AFM同步成像。实验结果表明，微透镜的引入提高了传统AFM光学系统的成像分辨率，成像放大率提高了3-4倍，有效地缩小了传统光学成像与AFM之间的分辨率差距。与单一AFM成像模式相比，成像速度提高了约8倍。高通量、高分辨率AFM和扫描超透镜关联显微镜为实现微米到纳米级分辨率的跨尺度快速成像提供了一种新的技术手段。该研究得到了国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目（基于微球超透镜的跨尺度同步微纳观测与操作系统）和机器人学国家重点实验室自主项目的大力支持。（机器人学国家重点实验室）AFM和扫描微透镜关联成像示意图半导体芯片成像结果

1. 前言　 使用紫外分光光度计测定固体样品时，会用到积分球。积分球的种类繁多，有不同的尺寸、形状、涂层材质。日立紫外可见近红外分光光度计UH4150具有多种积分球检测器，可以满足不同样品的测量需求。图1 日立UH4150及其丰富附件这里以透镜测定为例，介绍标准积分球和全积分球。 2. 积分球结构标准积分球的内壁涂层为BaSO4，副白板的材质为Al2O3。它不但可以测定透过率，还可以测定全反射率和漫反射率。全积分球的副白板位置处无开孔，其内层材质同样为BaSO4。因此，全积分球不能测定全反射率和漫反射率。图2 标准积分球和全积分球的结构 3. 透镜的测定实例当测定如透镜类的样品时，其透射光束会在积分球内发生较大变化，若使用标准积分球时，透射光会从积分球背面的副白板溢出，并由副白板和积分球内壁反射。如图3所示，由于Al2O3和积分球内层BaSO4的反射率不同，因此基线校正(仅通过副白板反射校正)和样品测定时的光学条件不同，无法得到正确的测光值。图3 Al2O3和BaSO4的反射光谱详细信息请点击：https://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/s930350.htm 4. 总结 日立提供多种积分球，包括全积分球和标准积分球，以及开口倾角不同的标准积分球等，满足多种样品的精确测定。拨打400-830-5821，联系我们。

要想在摄影和光学显微镜中产生清晰的图像，消色差透镜必不可少。它们可以确保不同颜色，即不同波长的光，能够清晰聚焦，从而消除模糊现象。直到现在才开发出一种用于X射线的消色差透镜，这一事实乍一看可能令人惊讶，毕竟可见光消色差透镜已经存在了200多年。它们通常由两种不同的材料组成。光线穿透第一种材料，分裂成光谱颜色，就像穿过传统的玻璃棱镜一样。然后，它通过第二种材料来逆转这种效果。在物理学中，分离不同波长的过程称为“色散”。然而，瑞士保罗谢勒研究所（PSI）X射线纳米科学与技术实验室X射线光学与应用研究组负责人、物理学家克里斯蒂安大卫解释说：“这种适用于可见光范围的基本原理并不适用于X射线范围。”对于X射线来说，没有哪两种材料的光学性质在很大的波长范围内有足够的差异，从而使一种材料可以抵消另一种材料的影响。换句话说，X射线范围内材料的色散太相似了。此次，科学家没有在两种材料的组合中寻找答案，而是将两种不同的光学原理联系在一起。这项新研究的主要作者亚当库贝克说：“诀窍是意识到我们可以在衍射镜前面放置第二个折射镜。”PSI用已有的纳米光刻技术来制造衍射镜，并用微米级的3D打印制造出折射结构，成功开发出用于X射线的消色差透镜，解决了上述问题。X射线消色差仪的概念和试验装置为了表征他们的消色差X射线透镜，科学家们在瑞士同步辐射光源使用了一条X射线光束线，还使用光刻技术来描述X射线光束，从而描述消色差透镜。这使得科学家们能够精确地探测到不同波长的X射线焦点的位置。他们还使用一种方法对新透镜进行了测试，这种方法将样品以小光栅步移过X射线束的焦点。当X射线束的波长改变时，用传统X射线透镜产生的图像变得非常模糊。然而，当使用新的消色差透镜时，这种情况就不会发生。使用消色差仪演示不同能量的STXM成像X射线束轮廓的演变，其能量用X射线照相术测量消色差透镜和单个FZP（能量范围从5.6keV到6.8keV）多色X射线聚焦模拟该研究成果已发表在近期的《自然通讯》上。文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28902-8DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-28902-8

2011年9月7日报道 德国马尔堡大学将与德国塑料中心合作研究用于太赫兹和亚毫米波的新聚合物透镜。这种透镜可以改进图像质量，并降低材料和生产成本。 太赫兹和微波系统在过去二十年发展迅速，相关技术已经逐渐成熟，近年来更出现了一些创新性技术，如低成本塑料光学技术。新项目将开发以聚合物和二氧化钛或氧化铝粉末等添加物的混合物为基础的太赫兹透镜。

导 | 读 近期，瑞士IBM苏黎世研发中心的Colin博士和Swisslitho公司的Martin博士利用热扫描探针(T-SPL)纳米加工技术，配合干法蚀刻解决方案实现了相互作用微腔（两个相邻的光学微腔），并对微腔距离进行了控制，实现了两个微腔光场的相互作用。相关工作发表在Nature子刊 Scientific Report。 T-SPL纳米加工技术 热扫描探针(T-SPL)纳米加工技术是一种灰度刻蚀技术。与传统意义上的3D打印技术相比，3D模型以灰度图的形式呈现和加工，技术难度要比3D打印技术要小得多；而且，灰度刻蚀与标准微电子加工工艺，如沉积和蚀刻等直接兼容，因此具有广泛的应用前景。例如，在光学/光子学方面，它可以用来制造任意光学曲面、多模光波导，光子晶体以及高Q值的光学微腔。在量子光子学中，高Q因子意味着光损失小，单位模式中有更多的光量子。在电子光学上，可以用螺旋结构来将轨道角动量传递给自由电子。相比平面结构，三维结构具备更多的功能和更好的性能。 图1 T-SPL的原理 纳米加工技术对比 传统纳米加工技术中，电子束蚀刻(EBL)是目前先进的直写技术，也能够进行这种灰度的光刻。然而，当结构小于1微米时，电子束在光刻胶内的弛豫散射要计算，需要进行三维距离校正。聚焦离子束(FIB)同样可以用于灰度光刻。然而，由入射离子引起的表面注入，深度延伸可以超过数百纳米，并且需要进行复杂的计算实现临近校正。此外，由于事故的电离造成的损害，FIB加工过的表面对进一步处理非常敏感。此时，T-SPL技术的优势就突显出来了。 T-SPL纳米加工技术的应用 Colin博士利用T-SPL技术，制备了正旋波图形（图2a, b），螺旋相位板（图2c, d），凹透镜（图2e, f），16方格棋盘（图2g, h）。图形结果和设计匹配，棋盘实验中，台阶的高度仅为1.5nm。得益于闭环的直写算法，将每一次直写后探测的深度信息反馈并修正下一行的直写， T-SPL技术实现了纳米高精度的3D直写。图2 利用T-SPL技术制备各种微结构，图形结果和设计匹配 光子分子—双高斯凸透镜DBR光学微腔 Colin博士进一步设计了光子分子——双高斯凸透镜DBR光学微腔（图3）。在SiO2上刻蚀两个相邻的凹高斯透镜结构，并以此为模板制作了TaO5/SiO2布拉格反射镜（DBR）；利用发光染料作为增益介质制备在DBR中间形成法布里-珀罗（Fabry–Pérot）光学微腔，发光燃料层在结构部分形成高斯凸透镜，相邻两个凸透镜各自约束一路光场在DBR中形成谐振。 图3 光子分子的设计，制备和表征 通过加工多种不同间距的凸透镜对，Colin博士研究了不同距离下，两个谐振光场的耦合作用，以期实现基于交互强度控制的类腔阵列量子计算技术。T-SPL高精度3D纳米加工技术必将推动量子计算的研究向一个关键里程碑迈进。 参考文献：Control of the interaction strength of photonic molecules by nanometer precise 3D fabrication. Swisslitho公司荣获“瑞士产品奖” 2017年11月13日，Swisslitho公司因NanoFrazor 3D纳米直写设备（采用热扫描探针纳米加工技术）的研发和特优势获得“瑞士产品奖”。该奖项主要奖授予“具有特、高技术、高质量的、的产品创新能力，具有高价值，强大潜力的公司”。 图为Swisslitho公司团队于苏黎世市中心举行的颁奖典礼 相关产品及链接：1、NanoFrazor 3D纳米结构高速直写机：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C226568.htm2、小型台式无掩膜光刻系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C197112.htm

p style="margin-left: 66px text-align: justify text-indent: 2em "br//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px font-family:宋体"【作者按】/span/strongspan style="font-size:19px font-family:宋体"仪器的测试过程可归类为两件事：激发样品的信息，接收及处理样品的信息。因此其可被看成是由两类功能部件所组成：信号激发、信号接收处理。对扫描电镜来说电子枪和磁透镜属于激发样品信号的部件，探头属于接收样品信息的部件。它们都是构成扫描电镜的最基本部件，其性能的高低将对扫描电镜测试结果产生重大影响。学习扫描电镜也必须从认识这三个功能部件做起。篇幅所限，本文将只探讨激发信号的关键部件：电子枪、电磁透镜。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong style="text-indent: 0em "span style="font-size:24px"一、span style="font-variant-numeric: normal font-variant-east-asian: normal font-weight: normal font-stretch: normal font-size: 9px line-height: normal font-family: ' Times New Roman' " /span/span/strongstrong style="text-indent: 0em "span style="font-size:24px font-family:宋体"电子枪/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 0em "电子枪是电子显微镜产生高能电子束，这一样品信号激发源的源头。透射电镜和扫描电镜电子枪的构造基本一致。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"电子枪分为两种：热发射、场发射，它们主体都是三极结构设计。不同点：热发射（阴、栅、阳）；场发射（阴极、第一阳极、第二阳极）。热场电子枪在阴极下方增加了一个抑制热电子发射的栅极。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"热发射电子枪/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"热发射电子枪按阴极材质分为两类：发叉钨丝和六硼化镧。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"发叉钨丝材质是多晶钨，功函数大，电子须由高温激发。电子束发散性、色差都比较大，束流密度低。故本征亮度低，分辨能力较差。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"六硼化镧灯丝的材质为六硼化镧单晶，功函数较发叉钨丝低，激发电子的温度也较低，电子束发散性、色差较发叉钨丝小，束流密度较高。本征亮度和分辨力都好于发叉钨丝。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.1.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"钨灯丝结构图/span/strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "strongspan style="font-size:19px font-family:宋体"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 215px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/ce0d7ace-71d6-4ab7-8f68-495672dab472.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" width="664" height="215" border="0" vspace="0"//span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.1.2 /span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"六硼化镧灯丝结构图/span/strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="text-indent: 0em font-size: 19px "strongimg style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 278px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/a3341978-d9d2-4556-b62b-1f1c8cfe9484.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析2.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析2.png" width="664" height="278" border="0" vspace="0"//strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 0em font-size: 19px "strong1.1.3/strong/spanstrong style="text-indent: 0em "span style="font-size:19px font-family:宋体"热发射电子枪（钨灯丝、六硼化镧）结构如下图：/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong/strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 239px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/186b57f0-421c-4d0e-afcb-fcf35820cb7e.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析a.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析a.png" width="664" height="239" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"场发射电子枪/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"场发射电子枪分为：热场发射电子枪、冷场发射电子枪。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.2.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"场发射电子枪灯丝的结构及对比/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 215px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/100f10a3-fe51-4966-96a8-ff2395470ad4.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" width="664" height="215" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px" 1.2.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"场发射电子枪的结构/span/strongstrongspan style="font-size:19px" /span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"其结构图如下：/spanspan style="font-size: 19px text-indent: 28px " /span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="font-size: 19px text-indent: 28px "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 219px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/201f9912-eb0e-4749-9f83-1d2fb5184e03.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析5.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析5.png" width="664" height="219" border="0" vspace="0"//span/pp style="margin-left: 4px text-align: center text-indent: 2em "strongspan style="font-size: 18px "span style="font-family: 宋体 "左图为热场发射电子枪结构图/span span style="font-family: 宋体 "右图为冷场发射电子枪结构图/span/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"从上图可见，电子枪无论是热场还是冷场，其基本架构都是阴极、第一阳极、第二阳极结构。热场电子枪结构多了一个栅极保护器，以抑制热场电子枪为降低功函数，在灯丝上加高温所发射的热电子。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px"strong1.2.3/strong/spanstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"场发射电子枪的工作过程/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.2.3.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"热场发射电子枪：/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px font-family:宋体"氧化锆/span/strongstrong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px font-family: 宋体"∕/span/strongstrong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px font-family: 宋体"钨单晶/span/strongstrong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px font-family:宋体"?/span/strongstrong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px"1.0.0/span/strongstrong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px font-family:宋体"?/span/strongspan style="text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 "所构成的灯丝（阴极）通电后其温度达到/spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px "1200K/spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 "。位于灯丝下方的栅极（电压低于阴极）保护层将抑制多晶钨和单晶钨的热电子发射。栅极保护层下方第一阳极上加载的电位高于阴极，称为引出电压，在该电压作用下氧化锆电子被从灯丝尖部拔出，由第二阳极与阴极间的加速电场加速，形成扫描电镜信息激发源/spanspan style="text-indent: 37px " /spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 "—/spanspan style="text-indent: 37px " /spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 "直径小于/spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px "50nm/spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 "的“高能电子束”。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.2.3.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"冷场发射电子枪：/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"冷场发射电子抢灯丝尖为单晶钨?/spanspan style="font-size:19px" 3.1.0 /spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"?面。该晶面逸出功低，可由位于其下方第一阳极上的引出电压直接拔出。该电子枪不设栅极保护层。拔出的电子由阴极与第二阳极间加速电场加速，形成扫描电镜信号激发源 — 直径小于span10nm/span的“高能电子束”。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong style="text-indent: 0em "span style="font-size:19px"1.2.4/span/strongstrong style="text-indent: 0em "span style="font-size:19px font-family:宋体"冷、热场电子枪的优缺点/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong style="text-indent: 0em "span style="font-size:19px"1.2.4.1/span/strongstrong style="text-indent: 0em "span style="font-size:19px font-family: 宋体"冷场电子枪/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 0em font-size: 19px font-family: 宋体 "冷场电子枪阴极采用单晶钨（/spanspan style="text-indent: 0em font-size: 19px "3.1.0/spanspan style="text-indent: 0em font-size: 19px font-family: 宋体 "）面，功函数极低，针尖电子可以被第一阳极直接拔出。在工作中电子枪温度和环境温度一致而得名“冷场电子枪”。该电子枪灯丝电子的出射范围小，溢出角（立体角）也小，溢出电子的能量差也小（色差）。这些结果会使得以该阴极为基础形成的电子枪本征亮度大。电子枪本征亮度大有利于扫描电镜获取高分辨的测试结果。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"由于电子枪温度低，镜筒中气体分子容易在灯丝表面积累，对拔出电子产生影响。故在工作中发射电流会逐渐下降，需要不断提升引出电压（/spanspan style="font-size:19px"set/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"）或定时加一个瞬时电流（/spanspan style="font-size:19px"FLASH/spanspan style="font-size:19px font-family: 宋体"）来驱赶这些气体分子，使发射束流满足测试需求。为了保持束流在测试中尽可能稳定，镜筒真空要求更高，高真空也是高分辨的基础条件之一。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"由于发射面积较小，因此虽然电子枪的本征亮度大，但是束流总量不如热发射以及热场电子枪来的大。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"冷场电子枪可以有更好的图像分辨，但束流的稳定度以及束流总量略显不足。不过现在最新的日立/spanspan style="font-size:19px"REGULUS 8230/spanspan style="font-size: 19px font-family:宋体"冷场电镜在电子枪设计、真空度以及镜筒质量上的改进使这些缺陷有所弥补。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.2.4.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"热场电子枪/span/strongstrong/strong/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"热场电子枪问世时间较冷场电子枪来得早。电子枪阴极采用的是单晶钨（/spanspan style="font-size:19px"1.0.0/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"）面，其功函数较多晶钨丝和六硼化镧单晶要低很多但比冷场枪的单晶钨（/spanspan style="font-size:19px"3.1.0/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"）面要大。电子发射虽然也是由第一阳极拔出，但需要采用一系列降低功函数的方法：/spanspan style="font-size:19px"1./spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"灯丝加一定电流产生/spanspan style="font-size:19px"1200K/spanspan style="font-size:19px font-family: 宋体"的高温，/spanspan style="font-size: 19px"2./spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"表面涂覆一层氧化锆，以降低灯丝表面的功函数，提升发射效果。由于电子基本由第一阳极在单晶钨针尖部拔出，因此其发射面积、立体角及色差都较热发射小很多，但比冷场要大。故本征亮度要比热发射提高很多，但略低于冷场电子枪。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"热场和冷场电子枪对比：/span/strongspan style="font-size: 19px font-family:宋体"本征亮度低会造成仪器分辨能力不足；氧化锆的消耗会降低灯丝束流发射效果，氧化锆有破损，灯丝的高分辨寿命也到头，因此其高分辨寿命较短。束流大且稳定对微区分析有利，但是随着分析设备（/spanspan style="font-size:19px"EDS\EBSD/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"）性能的提升该优势也在逐步淡化，而分析过程中的空间分辨劣势也会逐步加深。不过这都有个度，而且和测试需求有关，辩证的关系无处不在。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "strong style="text-indent: 0em "span style="font-size:24px"二、span style="font-variant-numeric: normal font-variant-east-asian: normal font-weight: normal font-stretch: normal font-size: 9px line-height: normal font-family: ' Times New Roman' " /span/span/strongstrong style="text-indent: 0em "span style="font-size:24px font-family:宋体"电磁透镜/span/strong/pp style="margin-left: 48px text-align: justify text-indent: 2em "strong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"透镜系统是显微镜对样品信息激发源（光）进行操控的部件。不同激发源（光束、电子束）使用不同的透镜系统：光学显微镜用的是光学透镜，电子显微镜是电磁透镜和静电透镜（静电透镜在电镜中应用面较窄，效果也较差，本文不予探讨）。无论光学透镜还是电磁透镜都是通过对激发源（可见光、高能电子束）运行方向的改变来对其进行操控。尽管高能电子束在电磁透镜中的运行轨迹较可见光在光学透镜中要复杂的多，但结果基本相似，因此在电子显微镜教材中对电磁透镜和电子光路路径的探讨都是以光学显微镜为模板。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px"strong2.1/strong/spanstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"光学透镜/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"光的折射现象/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"直线传播、反射、折射是光的三种运行（传播）模式。在同一种均匀介质中光是以直线方式来运行，小孔成像、影子等都是光线直线传播的反映。光线在两种介质交界处会发生传播方向的改变，如果光返回原来介质中这就是反射，反射光光速和入射光相同。光线从一个介质进入另一个介质，会发生传播方向以及传播速度的改变，这就是光线的折射现象。初中的物理教科书告诉我们透镜的成像原理正是基于这种折射现象。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px"strong2.1.2/strong/spanstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"光学透镜的成像原理/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"透镜可以看成许多棱镜按照特别设计的构造所进行的组合。通常情况下光通过透镜时：凸透镜会将光线经两次折射后会聚在透镜另一侧的焦点（平行光）或像平面上，凹透镜将光线经两次折射后按照像点和虚像各点连线所形成的角度发散出去。/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="font-size:19px font-family:宋体"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 347px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/323d613a-1a81-4dda-9653-58a36a6d5ef1.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析7.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析7.png" width="664" height="347" border="0" vspace="0"//span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "strongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"凸透镜和凹透镜的经典成像图/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"显微系统中凸透镜的作用是对光线进行会聚、成像（实像、虚像、放大、缩小），也可对光路进行调整，是组成显微系统的主体部件。凹透镜在显微系统中主要是用于消除系统像差对分辨率的影响。/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 307px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/3543cd28-5d88-47f4-9ff7-0e6d73d304ad.jpg" title="7.jpg" alt="7.jpg" width="664" height="307" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "strongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"透镜的成像规律/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.3/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"像差及像差校正/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"色差和球差是显微系统中光线经过透镜时形成的两个主要像差，对显微镜分辨率有极大影响。消除像差影响对获取高分辨像帮助极大。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.3.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"色差/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px "任何光都很难保证光束中能量完全一致。不同能量的光线传播速度不同，通过透镜时折射程度也存在差别，因此其焦点也不相同。如此就会在焦平面或像平面上形成一个弥散斑，使图像模糊不清，影响图像的分辨能力。不同能量的光线对应不同色彩，因此由光的能量差异而引起的像差被称为“色差”。不同形态（凸透镜、凹透镜）、不同材质的透镜色差通过合理的安排可以相互抵消，以此方式就可以消除整个透镜系统的色差。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 0em "span style="font-size:19px font-family:宋体"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/0cf133ab-eb6d-4b98-83bd-95d8413e54a0.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析8.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析8.png"//span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.3.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"球差/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"透镜中心区与边缘区对光线折射会有差异，使得轴上某个物点发出的光束最后会聚在光轴上不同位置，在像面上形成一个弥散斑从而影响图像的分辨力，这种差异被称为“球差”。利用光阑只让近光轴光线通过可以减少球差，另外还有两种方法最常见：配曲以及组合。/span/pp style="text-align: justify "br//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.3.2.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"配曲/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 37px "透镜两个曲面采用不同曲率半径，这两个曲面会对光线的折射产生差异，互相抵消和弥补会减少透镜球差的数值。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.3.2.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"组合/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 37px "利用凸凹透镜的组合消除球差。组合方式有胶合和分离。/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 709px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/546f7baa-45c4-4b2c-9bf5-06508692bd6f.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析9.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析9.png" width="664" height="709" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"电磁透镜/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px "电子显微镜使用高能电子束做为光源，若用光学透镜对电子束进行会聚的结果是损耗大、工艺繁琐、效果差。因此必须选用另外的方式来对电子束进行操控。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 37px "一个轴对称的均匀弯曲磁场对电子束拥有更好的折射效果，而且操控简单、效果优异，是对电子束进行会聚的主要方式，类似于光学透镜对光线的会聚，被称为“磁透镜”。该磁场是利用电流通过铜线圈来产生，故而被命名为“电磁透镜”。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px"strong2.2.1/strong/spanstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"电磁透镜的构造及工作原理/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"电磁透镜构造是将一个轴对称螺旋绕制的铜芯线圈置于一个由软磁（顺磁）性质的材料/spanspan style="font-size:19px"(/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"纯铁或低碳钢/spanspan style="font-size:19px")/spanspan style="font-size:19px font-family: 宋体"制成具有内环间隙的壳子里。内部插入磁导率更高的锥形环状极靴。该构造可以使得磁场强度、均匀性、对称性得到极大提升，从而在较小空间获得更大的电磁折射率来提升磁透镜的会聚效果。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 199px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/0ea4c139-2224-402e-8f16-0c835e6079c0.jpg" title="123.png" alt="123.png" width="664" height="199" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 19px "电磁透镜的工作过程如下：当电流通过铜芯线圈时，将产生一个以线圈轴中心对称分布的闭环磁场。电子束在穿越磁场时因切割磁力线而受洛仑兹力作用发生向心的偏转折射，该偏转和电子运行方向叠加后使得电子在磁场中以圆锥螺旋曲线轨迹运行，并使电子束从磁场另一端飞出后被重新会聚。类似于光学透镜中的光线会聚，电磁场对电子束起到一个透镜的作用。改变线圈电流的大小，可以改变电磁透镜对电子束的折射率。电子显微镜通过对透镜电流的调节，来无级变换焦点及放大倍率。任何一级透镜可以在需要时打开，不用时关闭，因此更易于仪器的调整。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 199px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/21c7877d-4b03-4a3c-a3a9-778f4197b5e6.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析10.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析10.png" width="664" height="199" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.2.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"电磁透镜的像差/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px "虽然电子束在电磁透镜中的电子轨迹比可见光在光学透镜中的轨迹要复杂得多，但结果基本类似。光学透镜成像过程中存在的像差，在电磁透镜的成像过程中也同样存在，只是程度以及解决方式不一样。解决像差，对扫描电镜和透射电镜成像效果的影响也不一样。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"电子显微镜使用高能电子束和电磁透镜，相对于光学显微镜，其所形成的像差要小很多。而解决像差影响也会对测试结果产生负面影响，比如束流密度增大带来的热损伤、运用单色器会对信号量形成衰减、会聚角增大在扫描电镜测试时会增加样品信号扩散，这些负面影响是否会超过解决像差所带来的正面效果？这里存在着一个辨证的关系。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"光学显微镜显然是解决像差带来的正面效果要大，所以大量的消像差组件存在于光路当中。电子显微镜呢？目前仅在场发射透射电镜中加入球差校正器有着极为明显的作用，扫描电镜中却未见使用。这与两种电子显微镜所针对的样品以及所获取的样品信息特性有关。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"透射电镜样品极薄、样品中信号扩散基本可以忽略不计。球差的改善会带来两个结果：束流密度的增加、会聚角的增加。束流密度增加会使得信息的激发区缩小同时信号量增加，这无疑对提高分辨力有利；电子束会聚角的增加有利于散射电子散射角的扩大，对/spanspan style="font-size:19px"stem/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"成像有利。因此对于透射电镜来说，解决球差所带来结果基本都是正面，这使得球差校正对透射电镜提高分辨力的影响十分明显。当然基础还是电子枪，热发射电子枪加装球差校正，结构更复杂而且结果差。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px "扫描电镜样品相对电子束来说无穷厚，电子束击入样品所引起的信号扩散较大。采用信号又是溢出样品表面的二次电子和背散射电子，电子束会聚角的改变对它们溢出范围影响不可忽略。球差校正结果到底如何？目前还没看到球差校正在扫描电镜中被运用。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 19px "球差校正器是采用多极子校正装置产生的磁场对电子束做一个补偿散射（如凹透镜对光线的散射），来消除聚光镜边缘所引起的球差。/span/pp style="text-align:center"span style="font-size:19px"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/c178f974-3020-497b-9c33-5f66b75f8046.jpg" title="10.jpg" alt="10.jpg"//span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "strongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"球差校正器图解/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px "电子显微镜减少色差主要依靠单色器。其原理是将电子束按照能量进行分离，然后选取某个能量段的电子束，由此降低电子束的能量差也就是色差。其缺点是电子束强度同时降低，这就要求样品能产生充足信号，同时信号接收器的接收效果也要相应提升。目前单色器主要被用在热场电子枪电镜。冷场电子枪由于色差很小，束流也较小，单色器对测试结果的正面影响不大，负面影响（束流的衰减）可能会更大，因此冷场电镜未见使用单色器。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 28px font-size: 19px font-family: 宋体 "辩证法的规律无处不在，任何条件的改变，部件的设计都不会是完美无缺。任何事、任何物的存在和变化都包含有正、反两方面的结果。我们必须对事和物做全面的正确了解，根据自己需求选取最大的正面因素，才能使得我们在做事和选物时获得最好的结果。最后以老祖宗的名言来做结束。那就是被我们常常认为是消极思维，其实却包含极大哲理的/spanstrong style="text-indent: 28px "span style="font-size:24px font-family: 宋体"“中庸之道、过犹不及”。/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 176, 240) "strongspan style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px "作者简介：/span/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 0, 0) "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px "img style="max-width: 100% max-height: 100% float: left width: 100px height: 154px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/3b78ff26-962f-4859-9049-9705ef02e500.jpg" title="9735aac7-cc11-41a0-b012-437faf5b20b5.jpg" alt="9735aac7-cc11-41a0-b012-437faf5b20b5.jpg" width="100" height="154" border="0" vspace="0"/林中清，87年入职安徽大学现代实验技术中心从事扫描电镜管理及测试工作。32年的电镜知识及操作经验的积累，渐渐凝结成其对扫描电镜全新的认识和理论，使其获得与众不同的完美测试结果和疑难样品应对方案，在同行中拥有很高的声望。2011年在利用PHOTOSHIOP 对扫描电镜图片进行伪彩处理方面的突破，其电镜显微摄影作品分别被《中国卫生影像》、《科学画报》、《中国国家地理》等杂志所收录、在全国性的显微摄影大赛中多次获奖。/span/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 0, 0) "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px "br//span/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 176, 240) "strongspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "参考书籍：/span/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 19px font-family: 宋体 "《扫描电镜与能谱仪分析技术》张大同/spanspan style="font-size: 19px "2009/spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "年/spanspan style="font-size: 19px "2/spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "月/spanspan style="font-size: 19px "1/spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "日/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"华南理工出版社/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"《微分析物理及其应用》/span span style="font-size:19px font-family: 宋体"丁泽军等/spanspan style="font-size: 19px" 2009/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"年/spanspan style="font-size:19px"1/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"月/spanspan style="font-size:19px" /span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"中科大出版社/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"《自然辩证法》/spanspan style="font-size:19px" /spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"恩格斯/spanspan style="font-size:19px" /spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"于光远等译/spanspan style="font-size:19px" 1984/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"年/spanspan style="font-size:19px"10/spanspan style="font-size:19px font-family: 宋体"月/spanspan style="font-size:19px" /span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"人民出版社/spanspan style="font-size:19px" /span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 19px font-family: 宋体 "《显微传》/spanspan style="font-size: 19px " /spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "章效峰/spanspan style="font-size: 19px " 2015/spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "年/spanspan style="font-size: 19px "10/spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "月/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"清华大学出版社/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"日立/spanspan style="font-size:19px"S-4800/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"冷场发射扫描电镜操作基础和应用介绍/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"北京天美高新科学仪器有限公司/spanspan style="font-size:19px" /spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"高敞/spanspan style="font-size:19px" 2013/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"年/spanspan style="font-size:19px"6/spanspan style="font-size:19px font-family: 宋体"月/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family: 宋体"br//span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 color: rgb(0, 176, 240) "延伸阅读：/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20191029/515692.shtml" target="_self" style="text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 0, 0) font-size: 19px font-family: 宋体 "扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈（1）/span/a/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20191126/517778.shtml" target="_self" style="text-decoration: underline "span style="font-size: 19px font-family: 宋体 color: rgb(0, 0, 0) "扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱——安徽大学林中清32载经验谈（2）/span/a/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family: 宋体"/span/p

近期，中国科学院上海天文台陕欢源课题组和上海交通大学物理与天文学院张鹏杰课题组合作，基于目前国际上最先进的千平方度巡天（Kilo-Degree Survey，KiDS）数据和Planck卫星宇宙微波背景辐射弱引力透镜（CMB lensing）数据，探究了利用二者的交叉关联限制宇宙学，并首次在这一结果中完整考虑扣除来自星系内秉指向性（intrinsic alignment，IA）带来的污染。5月16日，相关研究成果发表在《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）上。弱引力透镜是暗物质宇宙演化的唯一无偏探针，在限制宇宙学、大尺度结构演化、暗能量模型等方面具有其他观测手段无法替代的优势。弱引力透镜描述了光线因相对论效应在弱引力场中产生偏折，而对应光源即会在观测者眼中发生形变而偏离原本形状。通过对这一形变效应的观测，即可推测出光源和观测者之间的引力场分布或物质分布，从而更深入地理解宇宙成分性质和宇宙大尺度结构的演化规律（图1）。天文学家认为，使用星系形状因弱引力透镜的形变（剪切场，shear）和CMB光子因弱引力透镜的形变（汇聚场，convergence）的交叉关联，可以有效避免一些系统误差的影响，更好地提取出宇宙学信息。这一交叉关联自2015年首次被观测到以来，已被多项研究工作使用不同数据得以验证。然而，这一信号的处理仍存在一些简单的假设，而这些假设在未来的观测中可能会被打破。上海天文台博士姚骥提出，星系内秉指向性IA即星系在被弱引力透镜扭曲之前的形状，对这一交叉关联信号的影响一般均基于一些假设，而这些假设的正确性值得更深入探讨。本研究总结了过去八年对这一信号所有的处理方法（图2），其中忽略IA的处理方法以橙色线段标注，考虑了IA的影响但对IA的模型和参数进行了很强的假设的工作以绿色线段标注。为了弥补这方面探索的缺失，研究利用星系内秉指向性和弱引力透镜信号在光路上是否具有对称性这一特征，使用自修正的方法分离并扣除KiDS数据中星系内秉指向性（IA）的影响，并验证了IA导致的这一系统误差在如今的数据中已拥有一定的影响，约合0.5σ，超出无偏宇宙学0.31σ的要求。而这一影响在即将到来的第四代弱引力透镜巡天中将会随着统计误差的缩小而极速放大。本研究所使用的全新的IA自修正方法是在弱引力透镜宇宙学的首次应用。这一新方法为宇宙学研究提供了除模型拟合、模拟数据验证等传统的手段之外，直接从测光巡天数据中提取IA并消除其宇宙学影响的方法，也是目前唯一基于对称性的IA修正手段。研究显示，通过大量的基于模拟数据和观测数据的自洽性检验，自修正方法能够很好的减少IA对宇宙学信号的污染，且通过打破简并现象，保持了观测对宇宙学的限制力。上海天文台研究员陕欢源表示，本研究的重要意义体现在通过大量验证、完善了扣除方法的方式对IA进行了更为翔实的研究，同时本研究使用了独立于其他方法的、全新的自修正扣除方法，首次在测光巡天数据中从对称性的角度提取并扣除IA污染。这种全新的扣除方法也可以扩展到许多其他宇宙学研究上。陕欢源还补充道，本次从星表到宇宙学的研究，在工程实现方面也具有重要意义，期望后续在我国自主研发的空间站工程巡天望远镜（CSST）上开展相关的应用研究。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。图1.弱引力透镜示意图。左上角的星系发出的光线如果沿蓝色直线传播到望远镜处被我们观察到，则呈现出左下蓝色框中的图景。而实际上光线的传播会被途经的物质的（中上部）引力场所扭曲，以黄色光路传播。对应地，观测到的星系形状也会呈现相应的扭曲，如右下黄色框中所示。从蓝色框到黄色框中星系图像发生的形变，可以用来研究光路经过的物质分布。图2.使用IA自修正方法与之前结果获得的引力透镜幅度的对比（幅度为1表示和Planck宇宙学吻合）。本研究的三个主要结果：使用IA自修正方法扣除IA、完全忽略IA的存在、不使用IA自修正也不对IA进行强的假设，在图中以蓝色呈现。本研究中和IA的物理本质无关的一些对数据、模型、处理方式的选择所造成的差异，以红色呈现。对之前工作的总结以橙色（忽略IA）和绿色（对IA有强假设）呈现，其中橙色做法对应蓝色“ignore IA”，未能扣除IA的污染，绿色做法如果不对IA进行强假设，则误差棒会像蓝色“IA w/o SC”的情况一样显著增大。

仪器信息网讯 近日，瑞士保罗谢尔研究所(Paul Scherrer Institute,简称PSI) 的科学家开发了一种X射线显微镜的突破性光学元件——X 射线消色差透镜。这使得 X 射线束即使具有不同的波长也可以准确地聚焦在一个点上。对应成果于3月14日发表在科学杂志Nature Communications上，成果表示，新型X射线镜头将使使用 X 射线研究纳米结构变得更加容易；这种类型的X射线消色差仪将克服衍射光学和折射光学的色差限制，并为宽带X射线管光源在光谱学和显微镜中的新应用铺平道路。DOI: 10.1038/s41467-022-28902-8用于在微纳米尺度上无损研究物质内部结构和元素组成的X射线技术需要高性能的X射线光学系统。为此，在过去的十年中，人们开发了各种类型的反射、折射和衍射光学元件。衍射和折射光学元件已成为大多数高分辨率X射线显微镜的组成部分。然而，始终遭受固有色差的影响。到目前为止，这限制了它们在窄带辐射中的使用，从本质上说，这类高分辨率X射线显微镜仅限于高亮度同步辐射源。与可见光光学类似，解决色差的一种方法是将具有不同色散功率的聚焦光学和散焦光学结合起来。在这次新成果中，PSI科学实现了X射线消色差仪的首次成功实验，该消色差仪由电子束光刻和镀镍制作的聚焦衍射菲涅耳波带片（FZP）和3D打印双光子聚合制作的散焦折射透镜（RL）组成。利用扫描透射X射线显微镜（STXM）和光学显微镜，科学家演示了在宽能量范围内的亚微米消色差聚焦，而无需任何焦距调整。这种类型的X射线消色差仪将克服衍射光学和折射光学的色差限制，并为宽带X射线管光源在光谱学和显微镜中的新应用铺平道路。消色差镜头对于在摄影和光学显微镜中产生清晰的图像至关重要。它们确保不同颜色（即不同波长的光）具有共同的焦点。然而，迄今为止，X 射线还没有消色差透镜，因此只有单色 X 射线才能实现高分辨率 X 射线显微镜。在实践中，这意味着必须从 X 射线光束光谱中滤除所有其他波长，因此只能有效使用一小部分光，从而导致相对低效的图像捕获过程。由 3D 打印机创建的微结构：由 PSI 科学家开发的创新折射结构与衍射元件相结合，形成一个消色差 X 射线镜头，约一毫米长（或高，如图所示）。打开它的末端，就像一个微型火箭。它是由 3D 打印机使用特殊类型的聚合物创建的。该结构的图像由扫描电子显微镜拍摄。图片来源：Paul Scherrer Institute/Umut SanliPSI 科学家团队已通过成功开发用于 X 射线的消色差 X 射线透镜解决了以上问题。由于 X 射线可以揭示比可见光小得多的结构，创新的镜头将特别有利于微芯片、电池和材料科学等领域的研发工作。比可见光消色差更加复杂对于可见光，消色差透镜的应用已经超过200多年。但对于X 射线的消色差透镜直到现在才被开发出来，这一事实乍一看似乎令人惊讶。可见光的消色差透镜是由一对不同的材料组成，当可见光穿透第一种材料时，分散成不同光谱颜色（就像穿过传统的玻璃棱镜时一样），然后这些光谱再通过第二种材料时就会逆转这种分散效果，聚焦在一个点上。（在物理学中，分散不同波长的过程称为“色散”）消色差聚焦原理：散焦折射透镜（RL）的色度作为聚焦菲涅耳波带片（FZP）色度特性的校正器。b扫描电子显微镜（SEM）显示了通过电子束光刻和镍电镀制作的镍FZP，用于对比测量。c由四个堆叠抛物面组成的RL的SEM图像，使用双光子聚合光刻技术进行3D打印。d使用消色差作为聚焦光学元件的扫描透射X射线显微镜（STXM）和光学成像实验装置的草图。PSI 的X 射线纳米科学与技术实验室 X 射线光学与应用研究组负责人、物理学家 Christian David 解释说：“这种适用于可见光范围的基本原理在 X 射线范围内不再起作用。对于 X 射线，没有任何两种材料的光学特性能够在很宽的波长范围内足以抵消另一种材料的影响。换句话说，材料在 X 射线范围内的色散是太相似了。”两个原理而不是两种材料因此，科学家们没有将寻找答案放在在两种材料的组合中，而是探索将两种不同的光学原理联系在一起。“诀窍是要意识到我们可以在衍射透镜前面放置第二个折射透镜，”新研究的主要作者Adam Kubec说。Kubec 目前是 Christian David 小组的研究员，现在为 XRnanotech 工作，XRnanotech 是 PSI 在 X 射线光学研究过程中的一个衍生公司。“多年来，PSI 一直是 X 射线镜片生产的世界领导者，”David 说，“我们为全球同步加速器光源的 X 射线显微镜提供专门的透镜，称为菲涅耳波带片。” David 的研究小组使用已建立的纳米光刻方法来生产衍射透镜。然而，对于消色差透镜中的第二个元素——折射结构——需要一种新方法，这种方法最近才得以实现：微米级的 3D 打印。这最终使 Kubec 能够制作出一种类似于微型火箭的形状。使用消色差仪演示在不同能量下的 STXM 成像。a）使用消色差获得的图b 中所示的Siemens star样品的 STXM 图像，表明在最佳能量约 6.4 keV 的附近，消色差范围 1 keV。b) Siemens star 测试样品的 SEM 图像，外圈和内圈的径向线和间距 (L/S) 的宽度分别为 400 nm 和 200 nm，见红色箭头。c) STXM 的比较结果是使用消色差 (上) 和传统 FZP (下) 获得的能量范围为 6.0 keV 至 6.4 keV。虽然 FZP 图像的对比度随能量快速变化，但使用消色差获得的图像质量变化很小。潜在的商业应用新开发的镜头使得X射线显微镜实现了从研究应用到商业应用（例如工业）的飞跃。“同步加速器源产生如此高强度的 X 射线，以至于可以滤除除单个波长以外的所有波长，同时仍保留足够的光来产生图像，”Kubec 解释说。然而，同步加速器是大型研究设施。迄今为止，在工业界工作的研发人员被分配了固定的光束时间，在研究机构的同步加速器上进行实验，包括 PSI 的瑞士同步辐射光源 SLS。这种光束时间极其有限、昂贵，且需要长期规划。“行业希望在他们的研发过程中拥有更快的响应循环，”Kubec 说，“我们的消色差 X 射线镜头将在这方面提供巨大帮助：它将使工业公司可以在自己的实验室内操作紧凑型 X 射线显微镜。”PSI 计划与 XRnanotech 一起将这种新型镜头推向市场。Kubec 表示，他们已经与专门在实验室规模上建造 X 射线显微镜设施的公司建立了适当的联系。作为元件安装在瑞士同步辐射光源SLS上进行测试为了测试他们的消色差仪的性能，科学家们在将其作为聚焦光学元件安装在瑞士同步辐射光源SLS的cSAXS光束线上。其中一种方法是非常先进的 X 射线显微镜技术，称为 ptychography。“这种技术通常用于检测未知样本，”该研究的第二作者、Christine David 研究小组的物理学家、X 射线成像专家 Marie-Christine Zdora 说，“另一方面，我们使用 ptychography 来表征 X 射线束，从而表征我们的消色差透镜。” 这使科学家能够精确检测不同波长的 X 射线焦点的位置。他们还使用一种方法对新镜头进行了测试，该方法使样品以小光栅步长穿过 X 射线束的焦点。当改变 X 射线束的波长时，使用传统 X 射线镜头产生的图像会变得非常模糊。但是，在使用新的消色差镜头时不会发生这种情况。“当我们最终在广泛的波长范围内获得测试样品的清晰图像时，我们知道我们的镜头正在发挥作用，” Zdora高兴地说道。David 补充说：“我们能够在 PSI 开发这种消色差 X 射线镜头，并且很快将与 XRnanotech 一起将其推向市场，这一事实表明，我们在这里所做的这类研究将在很短的时间内实现实际应用。”

仪器信息网讯 2021年8月31日，日本电子株式会社（JEOL Ltd.）总裁兼首席运营官Izumi Oi宣布已经开发出肖特基场发射电子显微镜 JSM-IT800（2020年5月推出）用于观测半导体器件的最佳半透镜版本(i)/(is)——JSM-IT800(i)/(is)，并已于 2021 年 8 月开始销售。产品开发背景扫描电子显微镜(SEM)被广泛应用于纳米技术、金属、半导体、陶瓷、医学和生物学等领域。随着SEM的应用范围不断扩大，不仅包括研究和开发，还包括生产现场的质量控制和产品检验，SEM用户需要快速高质量的数据采集，以及简单的成分信息确认和无缝的分析操作。为了满足这些需求，JSM-IT800 集成了用于高分辨率成像的透镜内肖特基 Plus 场发射电子枪、创新的电子光学控制系统“Neo Engine”， 以及追求易用性的GUI“ SEM中心”可以完全整合JEOL 的x射线能谱仪。此外，JSM-IT800 允许以模块形式更换物镜，提供不同版本物镜以满足不同用户的需求。JSM-IT800 有五种不同物镜版本：混合镜头版本 (HL)，这是一种通用 FE-SEM；超级混合镜头版本（SHL/SHL，功能不同的两个版本），可实现更高分辨率的观察和分析；以及新开发的半透镜版本（i/is，两个不同功能的版本），适用于半导体器件的观察。JSM-IT800 还可以配备全新的闪烁体背散射电子探测器 (SBED)。 SBED 能够以高响应性轻松观察实时图像，即使在低加速电压下也能产生清晰的材料对比度。主要特点透镜内肖特基 Plus 场发射电子枪电子枪和低像差聚光透镜的增强集成提供了更高的亮度。在低加速电压（5 kV 时为 100 nA）下可获得充足的探针电流。独特的透镜内肖特基 Plus 系统适用于各种应用，从高分辨率成像到快速元素分析，以及电子背散射衍射 (EBSD) 分析。Neo Engine（新电子光学引擎）Neo Engine 是一种尖端电子光学系统，它积累了 JEOL 多年的核心技术。即使改变不同的观察或分析条件，用户也可以进行稳定的观察。自动功能的高可操作性大大增强。SEM 中心 / EDS 集成GUI“SEM 中心”、 SEM 成像和 EDS 分析完全集成，以提供无缝和直观的操作。 JSM-IT800 可以通过结合可选的软件插件来增强，例如 SMILENAVI 为新手用户提供学习路径， LIVE-AI 过滤器（Live Image Visual Enhancer– AI）以获得更高质量的实时图像.半透镜版本(i/is)半透镜通过在物镜下方形成的强磁场透镜会聚电子束来实现超高分辨率。此外，该系统有效地收集从样品发射的低能量二次电子，并使用上部透镜内检测器 (UID) 检测电子。因此，它可以对倾斜样品和横截面样品进行高分辨率观察和分析，这正是半导体器件故障分析所需的。此外，它对于电压对比度观察也非常有用。上电子探测器（UED）上电子探测器可以安装在物镜上方。该系统的优点是能够采集背向散射电子图像，并结合试样偏压采集二次电子图像。从样品发射的电子由物镜内的 UID 过滤器选择。 UED 和 UIT 允许在一次扫描中获取多个信息。新型背散射电子探测器闪烁体背散射电子检测器（SBED，可选）具有高响应性，适用于在低加速电压下获取材料对比图像。主要参数JSM-IT800i versionJSM-IT800is versionResolution (1 kV)0.7 nm1.0 nmResolution (15 kV)0.5 nm0.6 nmAccelerating voltage0.01 - 30 kVStandard detectorSecondary Electron Detector (SED)Upper In-lens Detector (UID)Upper Electron Detector (UED)Secondary Electron Detector (SED)Upper In-lens Detector (UID)Electron gunIn-lens Schottky Plus field emission electron gunProbe currentA few pA to 500 nA (30 kV)A few pA to 300 nA (30 kV)A few pA to 100 nA (5 kV)Objective lensSemi-in-lensSpecimen stageFull eucentric goniometer stageStage movementType1(standard) X 70 mm Y 50 mm Z 1 to 41 mmType2 (optional) X 100 mm Y 100 mm Z 1 to 50 mmType3 (optional) X 140 mm Y 80 mm Z 1 to 41 mmTilt -5 to 70° Rotation 360°EDS detectorEnergy resolution: 133 eV or betterDetectable elements Be to UDetection area: 60 mm2新型肖特基场发射扫描电子显微镜JSM-IT800【产品链接】

新一期美国《纳米通讯》杂志发表的一项研究显示，自然界的蜘蛛丝是一种天然的超级透镜，可以有效帮助常规光学显微镜突破“视力”极限。这是生物超级透镜首次登上科技舞台，为超级透镜研究开辟了全新的发展方向。　　这项研究由英国班戈大学电子工程系的王增波主持，并与牛津大学弗里茨沃尔拉特教授等人合作完成。　　王增波对记者说：“这项研究的漂亮之处就在于它的简单性，超级透镜设计和制备一直是个比较复杂的课题，需要专业的知识和设备。但天然的蜘蛛丝居然可以实现超级透镜的功能，根本不需要加工，就能使显微镜分辨率提升2至3倍。”　　观测时，研究人员首先利用透明胶带把蜘蛛丝放置于样品上，并在样品和蛛丝的缝隙之间注入无水酒精以提高成像质量，然后利用普通白光显微镜进行观测。由于蜘蛛丝对光的折射，原有“看不见”的纳米结构被放大2到3倍，从而把传统光学显微镜的分辨极限由200纳米提高到至少100纳米。　　王增波说，他们利用蜘蛛丝透镜直接观察到了蓝光光盘上的线槽。蓝光光盘线槽最细只有100纳米，使用普通显微镜原本是看不见的。下一步，他们将探索利用蜘蛛丝透镜来观测亚细胞结构和细菌病毒。　　蜘蛛丝透镜的发现纯属偶然。“一天我跟我家小孩在后院玩儿，看到了好几个新结的蜘蛛网，细细长长的丝，比头发丝还细，突然产生了用蜘蛛丝成像的想法。很快，我们就在实验上得到了证实。”王增波回忆道。

由天津市拓普仪器有限公司与天津大学应用物理系共同研发的WCG-1型超声光栅仪即将面市。该仪器采用光具座形式，除具有良好的直线性特点外，还具有方便组合多种实验等优点。用超声光栅测定液体中声音的传播速度是一个很好的综合性普物教学实验。

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