CN103325649A

CN103325649A - 一种底装光纤耦合透射电镜数字成像方法及其装置

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Publication number: CN103325649A
Application number: CN2013102347021A
Authority: CN
Inventors: 刘冰川; 陈自谦; 余英豪; 曲利娟; 林玉峰; 刘庆宏
Original assignee: Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command of PLA
Current assignee: Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command of PLA
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: CN103325649B

Abstract

本发明涉及一种底装光纤耦合透射电镜数字成像方法及其装置，该方法包括以下步骤：（1）制作A光纤电子光学转换器和B光纤电子光学转换器；（2）将A光纤电子光学转换器与A数码成像器件连接成一体，将B光纤电子光学转换器与B数码成像器件连接成一体；（3）将连接成一体的光纤电子光学转换器和数码成像器件安装在真空密封外壳内；（4）将真空密封外壳与透射电镜的投影室底部的法兰接口相连接。本发明通过两个独立成像的图像传感器对透射电子图像或衍射花样既能进行高分辨率、宽动态范围静态拍摄，又能进行高分辨率、高帧率录像，解决了现有透射电镜数字成像装置因动态成像帧率低不能满足原位电子显微学研究需要的问题。

Description

一种底装光纤耦合透射电镜数字成像方法及其装置

技术领域

本发明涉及透射电子显微镜和成像方法及其装置，特别是涉及一种通过透射电镜投影室底部的法兰接口安装，包含两套光纤耦合型成像装置，既可以对样品的透射电子图像或衍射花样进行高分辨率、宽动态范围的静态拍摄，又可以进行高分辨率、高帧率录像的透射电镜数字成像方法及其装置。

背景技术

透射电镜是对物质世界进行微观研究最有力、也是最重要的科学仪器，人们用透射电镜对样品进行放大，以图像方式观察、分析和记录样品信息。如图1所示，样品的透射电子图像或衍射花样11经过投影镜12投射在主荧光屏15上转变成光学图像供人们观察，也可以在35mm相机接口13处安装侧插式胶片相机拍摄或用数码相机成像；还可用底插胶片16或通过底部的法兰接口18安装底装数码相机成像。显然，透射电子图像或衍射花样11在侧插图像传感器14、主荧光屏15、底插胶片16、底装图像传感器19上所成图像的特性不一样，因为透射电子图像或衍射花样11在上述不同位置的放大倍数和电子密度不同。以Philips EM208S透射电镜为例，底插胶片16、主荧光屏15、侧插图像传感器14、底装图像传感器19的图像放大倍数的比为1: 0.888: 0.313: 1.2～2.0（取决于底装数码相机及安装位置），它们对应的图像电子密度的比约为1: 1.27: 10.2: 0.7～0.25，即侧插图像传感器14接收到的电子图像的放大倍数最小，图像的电子密度最大，底装图像传感器19接收的电子图像的放大倍数最大，图像的电子密度最小。

分辨率（放大倍数）是反映透射电镜性能最重要的指标，EM208S透射电镜的线分辨率为0.34nm，是指用底插胶片16在放大倍数为20万倍时，拍摄的样本图像能分辨间距0.34nm的格栅，而此时如果用同样的胶片通过侧插式相机拍摄，放大倍数只有20×0.313＝6.26万倍，显然达不到0.34nm的线分辨率。因此，为了充分利用透射电镜的放大倍数和弥补高放大倍数下图像的电子密度低的问题，目前高端透射电镜数字成像装置采用的都是底装光纤耦合型结构。

新材料、微电子等领域的快速发展对微纳尺度的动态成像提出了越来越高的要求，在纳米线生长、原位拉伸实验、原位电子束诱导沉积等原位电子显微学研究中，即使是目前最高端的透射电镜数字成像装置也不能满足高分辨率下记录样品瞬态变化的需要。比如目前Tvips公司最高端TemCam-F816透射电镜数字成像装置，虽然其空间分辨率高达8192×8192、动态范围高达10000: 1，在静态拍摄方面堪称完美，但其动态成像最快速率只有6.7fps，对应的分辩率也仅为1024×1024，离满足原位电子显微学研究的高分辨率和高帧率需要还相距甚远。灵敏度和动态范围是静态拍摄最重要的指标，为了达到高性能，要求图像传感器的光子（电子）积累时间长，电子电路的信号读出速度慢；而要实现高帧率动态成像，必需尽量减少图像传感器积累时间，尽快提高信号读出速度；对于同一片图像传感器，上述需求显然是矛盾的。

发明内容

为了克服基于现有技术的高端透射电镜数字成像装置动态成像帧率低、分辨率不高，不能满足原位电子显微学研究中要求在高分辨率下记录样品瞬态变化的需要，本发明要解决的技术问题是提供一种结构独特、易于实现的底装光纤耦合透射电镜数字成像方法及其装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案一是：一种底装光纤耦合透射电镜数字成像装置，包括透射电镜，所述透射电镜的投影室底部具有法兰接口，所述法兰接口连接有真空密封外壳，所述真空密封外壳内设置有A光纤电子光学转换器和B光纤电子光学转换器，所述A光纤电子光学转换器连接有A数码成像器件，所述B光纤电子光学转换器连接有B数码成像器件；所述A数码成像器件包含全帧型CCD图像传感器，所述B数码成像器件包含sCMOS图像传感器。

进一步的，所述A光纤电子光学转换器包括由光纤棒拉制成的A光锥，所述B光纤电子光学转换器包括由光纤棒拉制成的B光锥，所述A光锥和B光锥的光学输入面分别设有电子荧光粉层，所述电子荧光粉层表面分别设有与投影室壁导通的铝导电膜层。

进一步的，所述A光锥的光学输入端为圆形大端，所述A光锥的光学输出端为与A数码成像器件的图像传感器光敏面相适应的矩形小端；所述B光锥的光学输入端为圆形大端，所述B光锥的光学输出端为与B数码成像器件的图像传感器光敏面相适应的矩形小端。

进一步的，所述A光锥和B光锥的外侧分别设有便于其安装的铝质适形支架，所述A光锥和B光锥的电子荧光粉层上分别安装有与铝质适形支架固定连接的环形铝框。

进一步的，所述A数码成像器件和B数码成像器件安装在真空密封外壳内的一个滑动支架上。

进一步的，所述A数码成像器件和B数码成像器件通过一个插座与外界控制器相连接，所述插座是安装在真空密封外壳上的真空密封插座。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案二是：一种底装光纤耦合透射电镜数字成像方法，包括以下步骤：（1）制作A光纤电子光学转换器和B光纤电子光学转换器；（2）将A光纤电子光学转换器与A数码成像器件连接成一体，将B光纤电子光学转换器与B数码成像器件连接成一体，所述A数码成像器件包含全帧型CCD图像传感器，所述B数码成像器件包含sCMOS图像传感器；（3）将连接成一体的光纤电子光学转换器和数码成像器件安装在真空密封外壳内；（4）将真空密封外壳与透射电镜的投影室底部的法兰接口相连接。

进一步的，步骤（1）中的A光纤电子光学转换器和B光纤电子光学转换器的制作方法按以下步骤进行：（1.1）将两根光纤棒按不同的锥比拉制成光锥，并将小端面切削成矩形，即成A光锥和B光锥；（1.2）分别在A光锥和B光锥的大端面上制作一层电子荧光粉层；（1.3）根据A光锥和B光锥的外形各加工一铝质适形支架以方便A光锥和B光锥的安装，在A光锥和B光锥的电子荧光粉层上面各安放一环形铝框并与铝质适形支架固定连接；（1.4）用直流蒸镀方法在A光锥和B光锥的电子荧光粉层表面各镀一层铝导电膜层。

进一步的，步骤（2）中的光纤电子光学转换器与数码成像器件的连接方法按以下步骤进行：（2.1）选用数码相机，用机械方法揭去数码相机图像传感器表面的保护玻璃；（2.2）把图像传感器放入盛有去离子水的培养皿中，用超声清洗器清洗两次；（2.3）用光学胶把光纤电子光学转换器的光学输出面与图像传感器光敏面粘结起来。

进一步的，步骤（3）是将连接成一体的数码成像器件和光纤电子光学转换器安装在真空密封外壳内的一个滑动支架上。

进一步的，步骤（4）中的数码成像器件通过插座与外界控制器相连接，所述插座是安装在真空密封外壳上的真空密封插座。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的底装光纤耦合型透射电镜数字成像装置包括两个独立成像的图像传感器，可以解决现有技术不能满足原位电子显微学研究要求的高分辨率、高帧率动态成像需要的问题。本发明采用的大幅面、全帧CCD图像传感器特别适合于高灵敏度、高动态范围静态拍摄，采用的科学级CMOS（sCMOS）图像传感器特别适合于高分辨率、高帧率动态成像；本发明的图像传感器与电子荧光屏之间都采用具有很高光耦合效率的光纤（锥）耦合技术，特别有利于低电子密度图像的成像。因此，本发明适用于包括材料、微电子、生命科学和医学等所有领域的透射电镜成像。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为现有的透射电镜结构及成像示意图。

图2为本发明的底装光纤耦合透射电镜数字成像装置示意图。

图3为本发明的光纤电子光学转换器的结构示意图。

图中：11-透射电子图像或衍射花样，12-投影镜，13-35mm相机接口，14-侧插图像传感器，15-主荧光屏，16-底插胶片，17-投影室壁，18-法兰接口，19-底装图像传感器，21-真空密封外壳，22-A数码成像器件，23-B数码成像器件，24-A光纤电子光学转换器，25-B光纤电子光学转换器，26-插座，31-A光锥，32-B光锥，35-电子荧光粉层，36-铝导电膜层。

具体实施方式

如图2~3所示，一种底装光纤耦合透射电镜数字成像装置，包括透射电镜，所述透射电镜的投影室底部具有法兰接口18，所述法兰接口18连接有真空密封外壳21，所述真空密封外壳21内设置有A光纤电子光学转换器24和B光纤电子光学转换器25，所述A光纤电子光学转换器24连接有A数码成像器件22，所述B光纤电子光学转换器25连接有B数码成像器件23，即所述A数码成像器件22和B数码成像器件23分别与A光纤电子光学转换器24和B光纤电子光学转换器25耦合；所述A数码成像器件22包含全帧型CCD图像传感器，所述B数码成像器件23包含sCMOS图像传感器。

在本实施例中，所述A光纤电子光学转换器24包括由光纤棒拉制成的A光锥31，所述B光纤电子光学转换器25包括由光纤棒拉制成的B光锥32，所述A光锥31和B光锥32的外侧分别设有便于其安装的铝质适形支架（图中未画出），所述A光锥31和B光锥32的光学输入面分别设有电子荧光粉层35，所述电子荧光粉层35上安装有与铝质适形支架固定连接的环形铝框（图中未画出），所述电子荧光粉层35表面分别设有与投影室壁17导通的铝导电膜层36。所述A光锥31的光学输入端为圆形大端，所述A光锥31的光学输出端为与A数码成像器件22的图像传感器光敏面相适应的矩形小端；所述B光锥32的光学输入端为圆形大端，所述B光锥32的光学输出端为与B数码成像器件23的图像传感器光敏面相适应的矩形小端。

在本实施例中，所述A数码成像器件22和B数码成像器件23安装在真空密封外壳21内的一个金属的滑动支架上（图中未画出），该滑动支架由无磁不锈钢材料加工而成，通过滑动支架及其驱动电机来实现该装置静态拍摄和动态录像功能的切换；A数码成像器件22和B数码成像器件23通过一个插座26与外界控制器（图中未画出）相连接，实现对两个数码成像器件等的馈电和控制以及其它功能，该插座26优选真空密封插座MX15-8，其安装于真空密封外壳21上。

如图2~3所示，一种底装光纤耦合透射电镜数字成像方法，包括以下步骤：（1）制作A光纤电子光学转换器24和B光纤电子光学转换器25；（2）将A光纤电子光学转换器24与A数码成像器件22连接成一体，将B光纤电子光学转换器25与B数码成像器件23连接成一体，所述A数码成像器件22包含全帧型CCD图像传感器，所述B数码成像器件23包含sCMOS图像传感器；（3）将连接成一体的光纤电子光学转换器和数码成像器件安装在真空密封外壳21内；（4）将真空密封外壳21与透射电镜的投影室底部的法兰接口18相连接。

在本实施例中，步骤（1）中的光纤电子光学转换器的制作方法按以下步骤进行：（1.1）将一根由芯径6μm的传像光纤组成的直径70mm长50mm的光纤棒的一个端面拉制成直径54mm，切削成36.8 mm×36.8 mm的正方形并将端面抛光，此即A光锥31；将一根由芯径6μm的传像光纤组成的直径70mm长35mm的光纤棒的一个端面拉制成直径22mm，切削成16.4 mm×14.0 mm的矩形并将端面抛光，此即B光锥32；（1.2）用重力沉降法分别在A光锥31和B光锥32的大端面制作一层15μm厚的电子荧光粉层35；（1.3）根据A光锥31和B光锥32的外形各加工一铝质适形支架以方便A光锥31和B光锥32的安装，在A光锥31和B光锥32的电子荧光粉层35上面安放一环形铝框并与铝质适形支架固定连接（图中未画出）；（1.4）用直流蒸镀方法在A光锥31和B光锥32的电子荧光粉层35表面各镀一层铝以形成铝导电膜层36。

在本实施例中，步骤（2）中的光纤电子光学转换器与数码成像器件的连接方法按以下步骤进行：（2.1）优选美国SBIG大幅面高灵敏相机STX-16803作为A数码成像器件22，用机械方法揭去相机CCD表面的保护玻璃；（2.2）优选英国ANDOR公司Zyla sCMOS高速高灵敏度相机作为B数码成像器件23，用机械方法揭去相机sCMOS芯片表面的保护玻璃；（2.2）把CCD和sCMOS芯片放入盛有去离子水的培养皿中，用超声清洗器清洗两次，每次十五分钟；（2.3）在超净工作台上用光学胶把A光锥31的正方形端面与CCD粘结起来，把B光锥32的矩形端面与sCMOS粘结起来，粘结时CCD及sCMOS分别位于A光锥31和B光锥32的上方，水平放置。

在本实施例中，步骤（3）中是将连接成一体的数码成像器件和光纤电子光学转换器安装在真空密封外壳21内的一个金属的滑动支架上（图中未画出），该滑动支架由无磁不锈钢材料加工而成，通过滑动支架及其驱动电机来实现该装置静态拍摄和动态录像功能的切换；A数码成像器件22和B数码成像器件23通过一个插座26与外界控制器（图中未画出）相连接，实现对两个数码成像器件等的馈电和控制以及其它功能，该插座26优选真空密封插座MX15-8，其安装于真空密封外壳21上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明所列举设备或器件的名称或型号等内容是为了更具体、直观、清楚地说明本发明及其优点，而不是对本发明权利要求范围的限定，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种底装光纤耦合透射电镜数字成像装置，包括透射电镜，所述透射电镜的投影室底部具有法兰接口，其特征在于：所述法兰接口连接有真空密封外壳，所述真空密封外壳内设置有A光纤电子光学转换器和B光纤电子光学转换器，所述A光纤电子光学转换器连接有A数码成像器件，所述B光纤电子光学转换器连接有B数码成像器件；所述A数码成像器件包含全帧型CCD图像传感器，所述B数码成像器件包含sCMOS图像传感器。

2.根据权利要求1所述的底装光纤耦合透射电镜数字成像装置，其特征在于：所述A光纤电子光学转换器包括由光纤棒拉制成的A光锥，所述B光纤电子光学转换器包括由光纤棒拉制成的B光锥，所述A光锥和B光锥的光学输入面分别设有电子荧光粉层，所述电子荧光粉层表面分别设有与投影室壁导通的铝导电膜层。

3.根据权利要求2所述的底装光纤耦合透射电镜数字成像装置，其特征在于：所述A光锥的光学输入端为圆形大端，所述A光锥的光学输出端为与A数码成像器件的图像传感器光敏面相适应的矩形小端；所述B光锥的光学输入端为圆形大端，所述B光锥的光学输出端为与B数码成像器件的图像传感器光敏面相适应的矩形小端。

4.根据权利要求2或3所述的底装光纤耦合透射电镜数字成像装置，其特征在于：所述A光锥和B光锥的外侧分别设有便于其安装的铝质适形支架，所述A光锥和B光锥的电子荧光粉层上分别安装有与铝质适形支架固定连接的环形铝框。

5.根据权利要求1所述的底装光纤耦合透射电镜数字成像装置，其特征在于：所述A数码成像器件和B数码成像器件安装在真空密封外壳内的一个滑动支架上；所述A数码成像器件和B数码成像器件通过一个插座与外界控制器相连接，所述插座是安装在真空密封外壳上的真空密封插座。

6.一种底装光纤耦合透射电镜数字成像方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制作A光纤电子光学转换器和B光纤电子光学转换器；（2）将A光纤电子光学转换器与A数码成像器件连接成一体，将B光纤电子光学转换器与B数码成像器件连接成一体，所述A数码成像器件包含全帧型CCD图像传感器，所述B数码成像器件包含sCMOS图像传感器；（3）将连接成一体的光纤电子光学转换器和数码成像器件安装在真空密封外壳内；（4）将真空密封外壳与透射电镜的投影室底部的法兰接口相连接。

7.根据权利要求6所述的底装光纤耦合透射电镜数字成像方法，其特征在于：步骤（1）中的A光纤电子光学转换器和B光纤电子光学转换器的制作方法按以下步骤进行：（1.1）将两根光纤棒按不同的锥比拉制成光锥，并将小端面切削成矩形，即成A光锥和B光锥；（1.2）分别在A光锥和B光锥的大端面上制作一层电子荧光粉层；（1.3）根据A光锥和B光锥的外形各加工一铝质适形支架以方便A光锥和B光锥的安装，在A光锥和B光锥的电子荧光粉层上面各安放一环形铝框并与铝质适形支架固定连接；（1.4）用直流蒸镀方法在A光锥和B光锥的电子荧光粉层表面各镀一层铝导电膜层。

8.根据权利要求6所述的底装光纤耦合透射电镜数字成像方法，其特征在于：步骤（2）中的光纤电子光学转换器与数码成像器件的连接方法按以下步骤进行：（2.1）选用数码相机，用机械方法揭去数码相机图像传感器表面的保护玻璃；（2.2）把图像传感器放入盛有去离子水的培养皿中，用超声清洗器清洗两次；（2.3）用光学胶把光纤电子光学转换器的光学输出面与图像传感器光敏面粘结起来。

9.根据权利要求6所述的底装光纤耦合透射电镜数字成像方法，其特征在于：步骤（3）是将连接成一体的数码成像器件和光纤电子光学转换器安装在真空密封外壳内的一个滑动支架上。

10.根据权利要求6或9所述的底装光纤耦合透射电镜数字成像方法，其特征在于：步骤（4）中的数码成像器件通过插座与外界控制器相连接，所述插座是安装在真空密封外壳上的真空密封插座。