一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，屬于電子顯微鏡演示技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過“以激光模擬透射電子顯微鏡的高能電子束”、“以樣品光柵模擬具有周期結(jié)構(gòu)的晶體樣品”、“以‘透鏡組’+‘?dāng)z像機(jī)(或光屏)’來模擬透射電子顯微鏡的成像系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了對透射電子顯微鏡的工作模式的模擬，具有原理清楚明白、結(jié)構(gòu)簡單明了、可操作性強(qiáng)、部件通用易于維修替換的特點(diǎn)，更可以進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。適用于透射電鏡原理及使用方法的教學(xué)，可以解決現(xiàn)階段該類課程教學(xué)主要基于書本而過于抽象，學(xué)生難以理解透射電鏡相對復(fù)雜的工作的問題。
【專利說明】
一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，屬于電子顯微鏡演示技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 透射電子顯微鏡，是一種綜合分析測試儀器，具有超高的空間分辨率和多種原位 分析功能，在材料微結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，應(yīng)用非常廣泛。因此，目前國內(nèi)各大高校材料學(xué)院都開 設(shè)了材料分析測試技術(shù)課程，專門講授透射電子顯微鏡的原理與使用。
[0003] 然而，在透射電子顯微鏡的教學(xué)中存在以下問題：
[0004] (1)透射電子顯微鏡使用高能電子束作為"光源"，電子束極易被氣體分子散射而 軌跡改變，因此要求在高真空下工作;另外，高能電子束會輻射出的x射線，損害人體。因此， 透射電子顯微鏡外殼封閉，電子束光路不可見；
[0005] (2)透射電子顯微鏡要求的樣品制作、保存難度大，難以批量制作，用以教學(xué)展示。 且實(shí)際材料樣品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其像與衍射花樣較為繁復(fù)，無助于初學(xué)者對透射電子顯微鏡 的工作原理理解；
[0006] (3)透射電子顯微鏡購置價格昂貴，使用、維護(hù)費(fèi)用也較高，數(shù)量較少。難以滿足高 校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的日常教學(xué)工作，多數(shù)學(xué)生無法親自動手進(jìn)行操作。
[0007] 以上三個原因，再加上電子顯微分析的理論基礎(chǔ)非常抽象，導(dǎo)致學(xué)生在透射電子 顯微鏡原理的學(xué)習(xí)中存在較大困難，無法透徹理解透射電子顯微鏡的原理，使透射電子顯 微分析理論與操作技術(shù)成為最難掌握的科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)課程之一。因此，亟需一種透射電子 顯微鏡的演示裝置，并且可以使學(xué)生親自動手操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種可視化透射電子顯微鏡演示 裝置，該裝置能夠可視化地模擬透射電子顯微鏡的主要功能及光學(xué)原理。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0010] 本發(fā)明的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，該裝置包括準(zhǔn)直光源、樣品光柵、 第一透鏡、光闌I、光闌II、第二透鏡、光屏、基座、第一支架和第二支架；
[0011] 所述的第二透鏡還可以用放大透鏡組來代替，可以更真實(shí)地模擬演示透射電子顯 微鏡的光路；
[0012] 所述的光屏還可以用攝像機(jī)來代替，可以將呈現(xiàn)的圖像使用計(jì)算機(jī)來采集處理；
[0013] 所述的準(zhǔn)直光源可以使用半導(dǎo)體激光發(fā)生器、針孔濾波器和準(zhǔn)直鏡得到，半導(dǎo)體 激光發(fā)生器產(chǎn)生的光束通過針孔濾波器的小孔發(fā)生衍射，其中零級衍射束通過準(zhǔn)直鏡后輸 出，得到單色性好、平行度高激光;該準(zhǔn)直光源還可以直接采用帶擴(kuò)束鏡的激光發(fā)生器；
[0014] 所述的樣品光柵由多塊形狀不同的、50-100線的一維平面光柵制作而成；
[0015]所述的第一透鏡為凸透鏡；
[0016] 所述的第二透鏡為凸透鏡；
[0017] 所述的放大透鏡組由兩個或三個凸透鏡組成；
[0018] 所述的光闌I由帶孔的不透明金屬板制作而成，例如黑色鐵板，為避免再次發(fā)生夫 瑯和費(fèi)圓孔衍射導(dǎo)致成像模式下花樣重疊，所述的孔徑應(yīng)遠(yuǎn)大于激光波長，又為避免成像 時同時選中多個光束，所述的孔徑不宜過大，所述的孔徑一般為l-3mm;
[0019] 所述的光闌II由帶孔的不透明金屬板制作而成，例如黑色鐵板，為避免再次發(fā)生 夫瑯和費(fèi)圓孔衍射導(dǎo)致衍射模式下花樣重疊，所述的孔徑應(yīng)遠(yuǎn)大于激光波長，又為避免選 區(qū)衍射時同時選中多個區(qū)域，所述的孔徑不宜過大，所述的孔徑一般為1-3_;
[0020] 所述的攝像機(jī)為可承受激光照射的工業(yè)相機(jī)；
[0021] 所述的準(zhǔn)直光源、樣品光柵、第一透鏡、第二透鏡和光屏，從左到右依次放置在基 座上；
[0022] 所述的準(zhǔn)直光源、樣品光柵、第一透鏡、第二透鏡均固定安裝在基座上；
[0023] 所述的光闌I通過第一支架進(jìn)行固定，第一支架帶動光闌I相對于基座可以上下運(yùn) 動還可以靠近基座或遠(yuǎn)離基座移動；
[0024] 所述的光闌II通過第二支架進(jìn)行固定，第二支架帶動光闌II相對于基座可以上下 運(yùn)動還可以靠近基座或遠(yuǎn)離基座移動；
[0025] 所述的基座上帶有滑軌，所述的光屏可以在基座的滑軌上左右移動，即光屏可以 在基座上向靠近第二透鏡或遠(yuǎn)離第二透鏡移動；
[0026]所述的光闌I位于第一透鏡的焦平面上，第一透鏡與光闌I之間的距離為第一透鏡 的焦距n;
[0027]所述的光闌II位于第一透鏡的像平面上，第一透鏡和光闌II之間的距離為第一透 鏡的像距V、樣品光柵和第一透鏡之間的距離為第一透鏡的物距U，像距V、物距U與第一透鏡 的焦距fi之間的關(guān)系滿足高斯公式，即1/U+1/V=l/f 1 ;u大于n;
[0028]所述的第二透鏡與第一透鏡的像平面之間的距離大于第二透鏡的焦距f2;
[0029] 所述的第一支架和第二支架的移動可以通過步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，步進(jìn) 電機(jī)可使用PLC進(jìn)行程序控制；
[0030] 所述的光屏的移動可以通過直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)，直線電機(jī)可使用PLC進(jìn)行程序控制； [0031]所述的準(zhǔn)直光源發(fā)出的激光能夠依次通過樣品光柵、第一透鏡、第二透鏡、光屏的 中心。
[0032]有益效果
[0033] (1)本發(fā)明的裝置中以激光模擬透射電子顯微鏡的高能電子束，解決高能電子束 軌跡不可見的問題:通過設(shè)計(jì)準(zhǔn)直光源，得到足以衍射和成像的準(zhǔn)直單色光。由于成像光束 在可見光范圍類，對環(huán)境要求不高，故將整個裝置設(shè)計(jì)成了開放式，作為教學(xué)展示用具，可 以更直觀地進(jìn)行演示；
[0034] (2)本發(fā)明的裝置中以光柵衍射模擬晶面對高能電子束的布拉格衍射，解決透射 電子顯微鏡樣品難以批量制作、不易保存且難以用作演示樣品的問題:通過設(shè)計(jì)樣品光柵， 模擬晶體樣品，可以模擬晶體中具有不同取向和周期性的不同晶區(qū)，用來展示選取衍射； [0035] (3)本發(fā)明的裝置中"透鏡組" + "攝像機(jī)(或光屏)"來模擬透射電子顯微鏡的成像 系統(tǒng)，利用攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，為了解決激光能量密度高，易損壞CCD元件的問題，在準(zhǔn)直 光源光線出射口加裝偏振片組減弱激光能量密度，或先以毛玻璃間接成像，再用CCD進(jìn)行拍 攝，也可以直接用白色鐵板制的光屏進(jìn)行成像觀察；
[0036] (4)本發(fā)明的裝置中使用所述的準(zhǔn)直光源發(fā)出的激光，模擬透射電子顯微鏡中電 子槍發(fā)射的高能電子束;本發(fā)明的裝置中第一透鏡(是一種光學(xué)凸透鏡)匯聚激光，模擬透 射電子顯微鏡中以電磁場匯聚高能電子束;本發(fā)明的裝置中的樣品光柵(是一種一維平面 光柵)發(fā)生光柵衍射，模擬透射電子顯微鏡中晶體點(diǎn)陣對高能電子束的布拉格衍射;本發(fā)明 的裝置中光闌I、光闌II，模擬透射電子顯微鏡中的物鏡光闌、選區(qū)光闌；本發(fā)明的裝置中 攝像機(jī)，模擬透射電子顯微鏡中的CCD成像元件；
[0037] (5)本發(fā)明通過"以激光模擬透射電子顯微鏡的高能電子束"、"以樣品光柵模擬具 有周期結(jié)構(gòu)的晶體樣品"、"以'透鏡組' +'攝像機(jī)(或光屏）'來模擬透射電子顯微鏡的成像 系統(tǒng)"，實(shí)現(xiàn)了對透射電子顯微鏡的工作模式的模擬，具有原理清楚明白、結(jié)構(gòu)簡單明了、可 操作性強(qiáng)、部件通用易于維修替換的特點(diǎn)，更可以進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。適用于透射電鏡原理 及使用方法的教學(xué)，可以解決現(xiàn)階段該類課程教學(xué)主要基于書本而過于抽象，學(xué)生難以理 解透射電鏡相對復(fù)雜的工作的問題。
【附圖說明】
[0038] 圖la為本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖lb為本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖lc為本發(fā)明的第一支架裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041 ]圖Id為本發(fā)明的第二支架裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖2為樣品光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖3為光闌I或光闌II的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖4為明場像模式；
[0045] 圖5為第一種暗場像模式；
[0046] 圖6為第二種暗場相模式；
[0047]圖7為高分辨像模式；
[0048]圖8為三角形區(qū)域的選區(qū)衍射模式；
[0049] 圖9為方形區(qū)域的選區(qū)衍射模式。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：
[0051 ] 一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，包括以下部件：1.基座，2.半導(dǎo)體激光發(fā)生 器，3.針孔濾波器，4.準(zhǔn)直鏡，5.樣品光柵，6.第一透鏡，7.第一支架，8.第二支架，9.光闌I， 10.光闌II，11.放大透鏡組，12.攝像機(jī)(或光屏）；
[0052]按以下方式組裝和調(diào)整:將光闌I 9、光闌II 10、分別裝在第一支架7、第二支架8 上;將由半導(dǎo)體激光發(fā)生器2、針孔濾波器3和準(zhǔn)直鏡4得到的準(zhǔn)直光源、樣品光柵5、第一透 鏡6固定在基座1上，將放大透鏡組、攝像機(jī)(或光屏）12分別裝在基座1上。將第一支架7、第 二支架8的底面保持與基座1在同一平面內(nèi)，第一支架7、第二支架8的行程方向互相平行，且 均與基座1的行程方向垂直。調(diào)整第一支架7、第二支架8和第一透鏡6的相對位置，使第一支 架7、第二支架8分別位于第一透鏡6的焦平面、像平面。其余各部件的位置可以自行調(diào)整。調(diào) 整裝置中各部件的相對高度，保證準(zhǔn)直光源發(fā)出的激光，通過各部件的中心。將第一支架7、 第二支架8和基座1的各電機(jī)與驅(qū)動器13與控制器14連接，使用控制器13控制電機(jī)的移動。 [0053]其使用方法是：包含兩種操作模式：第一種模式是通過長按或者短按按鈕K1~ K10,使各電機(jī)長動或點(diǎn)動，可以自由改變光闌I、光闌II和攝像機(jī)的位置。不同按鈕的效果 如表1所示
[0054]表1第一種操作模式
[0056] 第二種模式是通過不同按鈕(K11~K16)，改變光闌I、光闌II和攝像機(jī)的位置，直 接切換到透射電子顯微鏡的不同模式:按動K11，進(jìn)入明場像模式，圖像的示意圖如圖4,再 按K11復(fù)原;按動K12,進(jìn)入第一種暗場像模式，圖像的示意圖如圖5所示，再按K12復(fù)原;按動 K13,進(jìn)入第二種暗場像模式，圖像的示意圖如圖6所示，再按K13復(fù)原;按動K14,進(jìn)入一種高 分辨像模式，圖像的示意圖如圖7所示，再按K14復(fù)原;按動K15,進(jìn)入第一種選區(qū)衍射模式， 圖像的示意圖如圖8所示，再按K15復(fù)原;按動K16,進(jìn)入第二選區(qū)衍射模式，圖像的示意圖如 圖9所示，再按K16復(fù)原；
[0057] 工作過程:本發(fā)明的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，通過改變光闌I、光闌 II和攝像機(jī)的位置，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬透射電子顯微鏡主要功能，具體功能如表2所示。
[0058] 表2-種可視化透射電子顯微鏡演不裝置實(shí)現(xiàn)的功能
[0060]本發(fā)明采用可編程控制器對電機(jī)進(jìn)行編程控制，并且提供兩種操作模式:第一種 模式是通過長按或者短按按鈕(K1~K10)，使各電機(jī)長動或點(diǎn)動，改變光闌I、光闌II和光屏 或攝像機(jī)的位置，具體操作如表3所示;第二種模式是通過不同的按鈕(K11~K16)，改變光 闌I、光闌II和光屏或攝像機(jī)的位置，直接切換到透射電子顯微鏡的不同模式，其具體操作 如表4所示。
[0061 ]表3第一種操作模式
[0063]表4第二種操作模式
[0065] 說明：
[0066] (1)光闌I、光闌II的插入、退出是通過第一支架、第二支架實(shí)現(xiàn)的。攝像機(jī)或光屏 的移動，是通過基座的滑塊來實(shí)現(xiàn)的
[0067] (2)每次使用K11~K16按鍵，將進(jìn)入一種工作模式，完成該模式的演不，進(jìn)入下一 種模式之前，需要再按一下該按鈕，使光闌I、光闌II、攝像機(jī)或光屏均回歸初始位置。
[0068] (3)光屏預(yù)定成像位置A，指對透鏡I像平面成像的位置，攝像機(jī)或光屏預(yù)定成像位 置B，指對透鏡I焦平面成像的位置。
[0069] (4)除以上按鈕之外，還有啟動，回零，急停等輔助按鈕。
[0070] 實(shí)施例1
[0071] 第一透鏡的焦距fl = 130mm，第二透鏡的焦距f2 = 130mm，基座上帶有刻度，最左端 為0，最右端為1200mm，準(zhǔn)直光源位于50mm處、樣品光柵位于155mm處、第一透鏡位于328mm 處、光闌I位于458mm、光闌II位于845mm處、第二透鏡位于795mm處、光屏位于895mm，光闌I插 入并選擇透射束，此時得到的圖像如圖4所示，此時的模式為成像模式中的明場像。
[0072] 實(shí)施例2
[0073] 第一透鏡的焦距fl = 130mm，第二透鏡的焦距f2 = 130mm，基座上帶有刻度，最左端 為0，最右端為1200mm，準(zhǔn)直光源位于50mm處、樣品光柵位于155mm處、第一透鏡位于328mm 處、光闌I位于458mm、光闌II位于845mm處、第二透鏡位于795mm處、光屏位于895mm，光闌I插 入并選擇水平方向的衍射束，光闌II不插入，此時得到的圖像如圖5所示。此時的模式為成 像模式中的第一種暗場像。
[0074] 實(shí)施例3
[0075] 第一透鏡的焦距fl = 130mm，第二透鏡的焦距f2 = 130mm，基座上帶有刻度，最左端 為0，最右端為1200mm，準(zhǔn)直光源位于50mm處、樣品光柵位于155mm處、第一透鏡位于328mm 處、光闌I位于458mm、光闌II位于845mm處、第二透鏡位于795mm處、光屏位于895mm，光闌I插 入并選擇豎直方向的衍射束，光闌II不插入，此時得到的圖像如圖6所示。此時的模式為成 像模式中的第二種暗場像。
[0076] 實(shí)施例4
[0077] 第一透鏡的焦距fl = 130mm，第二透鏡的焦距f2 = 130mm，基座上帶有刻度，最左端 為0，最右端為1200mm，準(zhǔn)直光源位于50mm處、樣品光柵位于155mm處、第一透鏡位于328mm 處、光闌I位于458mm、光闌II位于845mm處、第二透鏡位于795mm處、攝像機(jī)位于895mm，光闌 I、光闌II均不插入，如圖7所示，此時的模式為成像模式中的高分辨像。
[0078] 實(shí)施例5
[0079] 第一透鏡的焦距fl = 130mm，第二透鏡的焦距f2 = 130mm，基座上帶有刻度，最左端 為0，最右端為1200mm，準(zhǔn)直光源位于50mm處、樣品光柵位于155mm處、第一透鏡位于328mm 處、光闌I位于458mm、光闌II位于845mm處、第二透鏡位于795mm處、攝像機(jī)位于1070mm，光闌 I不插入，光闌II插入并選擇三角形區(qū)域，如圖8所示，此時的模式為選區(qū)衍射模式中三角形 區(qū)域的衍射花樣。
[0080] 實(shí)施例6
[0081 ] 第一透鏡的焦距fl = 130mm，第二透鏡的焦距f2 = 130mm，基座上帶有刻度，最左端 為0，最右端為1200mm，準(zhǔn)直光源位于50mm處、樣品光柵位于155mm處、第一透鏡位于328mm 處、光闌I位于458mm、光闌II位于845mm處、第二透鏡位于795mm處、攝像機(jī)位于1070mm，光闌 I不插入，光闌II插入并選擇方形區(qū)域，如圖9所示，此時的模式為選區(qū)衍射模式中方形區(qū)域 的衍射花樣。
[0082]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并 不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形、改進(jìn)及替代，這些都屬于本發(fā) 明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，其特征在于：該裝置包括準(zhǔn)直光源、樣品光 柵、第一透鏡、光闌I、光闌II、第二透鏡、光屏和基座； 所述的第一透鏡為凸透鏡； 所述的第二透鏡為凸透鏡； 所述的光闌I為帶孔不透明板，孔的半徑為l-3mm; 所述的光闌II為帶孔不透明板，孔的半徑為l-3mm; 所述的準(zhǔn)直光源、樣品光柵、第一透鏡、第二透鏡和光屏，從左到右依次放置在基座上； 所述的光闌I相對于基座能夠上下運(yùn)動并且能夠向靠近基座的方向或遠(yuǎn)離基座的方向 移動； 所述的光闌II相對于基座能夠上下運(yùn)動并且能夠向靠近基座的方向或遠(yuǎn)離基座的方 向移動； 所述的基座上帶有滑軌，所述的光屏能夠在基座的滑軌上左右移動； 所述的光闌I位于第一透鏡的焦平面上； 所述的樣品光柵位于第一透鏡的物平面上； 所述的光闌II位于第一透鏡的像平面上； 所述的第一透鏡的物距大于第一透鏡的焦距； 所述的第二透鏡與第一透鏡的像平面之間的距離大于第二透鏡的焦距。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，其特征在于:所述的第 二透鏡用放大透鏡組來代替，所述的放大透鏡組由兩個或三個凸透鏡組成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，其特征在于:所述的光 屏用攝像機(jī)來代替，攝像機(jī)為能夠承受激光照射的工業(yè)相機(jī)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，其特征在于:所述的準(zhǔn) 直光源為使用半導(dǎo)體激光發(fā)生器、針孔濾波器和準(zhǔn)直鏡得到，半導(dǎo)體激光發(fā)生器產(chǎn)生的光 束通過針孔濾波器的小孔發(fā)生衍射，其中零級衍射束通過準(zhǔn)直鏡后輸出激光。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，其特征在于:所述的準(zhǔn) 直光源采用帶擴(kuò)束鏡的激光發(fā)生器產(chǎn)生。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，其特征在于:所述的樣 品光柵由多塊形狀不同的、50-100線的一維平面光柵制作而成。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，其特征在于:所述的光 闌I為帶孔的不透明金屬板制作而成，所述的光闌Π 為帶孔不透明金屬板制作而成。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，其特征在于:所述的準(zhǔn) 直光源、樣品光柵、第一透鏡、第二透鏡均固定安裝在基座上。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，其特征在于:所述的光 闌I固定在第一支架上，所述的光闌II固定在第二支架上，光闌I和光闌II的移動通過第一 支架和第二支架的移動實(shí)現(xiàn)，第一支架和第二支架的移動通過步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠的旋轉(zhuǎn)實(shí) 現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)使用PLC進(jìn)行程序控制;所述的光屏的移動通過直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)，直線電機(jī)可使 用PLC進(jìn)行程序控制。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可視化透射電子顯微鏡演示裝置，其特征在于:所述的 準(zhǔn)直光源發(fā)出的激光能夠依次通過樣品光柵、第一透鏡、第二透鏡、光屏的中心。
【文檔編號】G09B23/22GK105894926SQ201610237039
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】岳峻逸, 譚成文, 蘇鐵健, 于曉東, 姜威宇
【申請人】北京理工大學(xué)