一种电镜像散及消像散的演示装置及方法与流程

本发明涉及电镜像散技术领域，特别是涉及一种电镜像散及消像散的演示装置及方法。

背景技术：

像散和消像散都是光学上的概念，其中像散是光学像差的一种，它会带来图像的模糊。电子显微镜(简称电镜)使用电子束成像，电子束遵循电子光学的规律，不是使用玻璃透镜成像，而是使用电磁透镜成像。在电镜中，理想中的物镜磁场是轴对称分布的，如果没有其他像差影响，理论上电子束在光轴上会被汇聚成一个圆形的焦斑，得到的图像是没有畸变的。如果从几何光学解释，聚焦光束相互垂直的子午面(子午面指物点的主光线与光轴所构成的平面)和弧矢面(弧矢面为过光轴且与子午面相垂直的面)上光束都聚焦到同一焦点上。但是由于电镜镜筒中存在许多缺陷，比如各部件的机械加工偏差、极靴瑕疵和光阑孔脏污等导致透镜磁场不能呈轴对称分布，导致轴向像散存在，即电子束在子午面和弧矢面上分别聚焦在光轴上不同的点导致焦斑的弥散，像散的存在会导致图片明显的畸变。

电镜中配置有消像散器，是一种电磁线圈，电磁线圈产生的磁场可以矫正透镜磁场，使之呈圆柱对称性。虽然如今电镜软件已有自动消像散的算法和设置，但是在高倍率情况下，还是手动消像散最为有效。所以了解像散及消像散的原理，在电镜学习和操作中非常重要。如果想用演示装置演示电镜中的像散及消像散，最自然的方法是借用光学的像散和消像散的原理进行演示，需要几组透镜、光具座和光源。透镜和光源置于光具座上，通过加入柱状透镜来实现有像散的效果，然后再加入反方向柱状透镜来演示消像散的效果。但是这个方法有很多缺点的，首先整套装置需要搭建，且对场地和光线都有要求，如若使用强光需要使用防护眼镜，如若使用普通光源，观察效果不好。其次演示消像散只能演示效果，不能演示原理。最主要的是看不到光路行进，聚焦点变化不明显。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电镜像散及消像散的演示装置及方法，使用机械装置模拟光学装置，更为直观、方便的模拟像散和消像散原理。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电镜像散及消像散的演示装置，包括：

第一弧矢面杆、第二弧矢面杆、第一子午面杆、第二子午面杆、顶部弹性圈、中间弹性圈、底部弹性圈和底板；

所述第一弧矢面杆与所述第二弧矢面杆交叉形成第一交点；所述第一子午面杆与所述第二子午面杆交叉形成第二交点；所述第一弧矢面杆的两个端点与所述第二弧矢面杆的两个端点均位于第一平面上；所述第一子午面杆的两个端点与所述第二子午面杆的两个端点均位于第二平面上；所述第一平面与所述第二平面相互垂直；

所述顶部弹性圈均与第一弧矢面杆顶部、第二弧矢面杆顶部、第一子午面杆顶部和第二子午面杆顶部固定连接；所述中间弹性圈均与第一弧矢面杆中部、第二弧矢面杆中部、第一子午面杆中部和第二子午面杆中部固定连接；所述底部弹性圈均与第一弧矢面杆底部、第二弧矢面杆底部、第一子午面杆底部和第二子午面杆底部固定连接；

所述底板上设置有第一刻度凹槽和第二刻度凹槽；所述第一刻度凹槽和第二刻度凹槽相互垂直交叉；所述第一弧矢面杆的底端和所述第二弧矢面杆的底端可滑动的设置在所述第一刻度凹槽的两侧；所述第一子午面杆的底端和第二子午面杆的底端可滑动的设置在所述第二刻度凹槽的两侧；所述第一刻度凹槽和第二刻度凹槽的交叉点、所述顶部弹性圈的中心点、所述中间弹性圈的中心点和所述底部弹性圈的中心点均位于同一条直线上。

可选的，所述镜像散及消像散的演示装置，还包括：

第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块；

所述第一弧矢面杆的底端通过所述第一滑块可滑动的设置在所述第一刻度凹槽上；所述第二弧矢面杆的底端通过所述第二滑块可滑动的设置在所述第一刻度凹槽上；

所述第一子午面杆的底端通过所述第三滑块可滑动的设置在所述第二刻度凹槽上；所述第二子午面杆的底端可滑动的设置在所述第二刻度凹槽上。

可选的，所述顶部弹性圈、所述中间弹性圈和所述底部弹性圈的材质均为弹性体。

可选的，所述底板的材质为钢、铜、铝中的一种。

可选的，所述第一滑块、所述第二滑块、所述第三滑块和所述第四滑块的材质为钢或铜。

本发明还提供一种电镜像散的演示方法，应用于上述电镜像散及消像散的演示装置，所述电镜像散的演示方法，包括：

将所述演示装置调至无像散状态；所述无像散状态为第一弧矢面杆的底端、第二弧矢面杆的底端、第一子午面杆的底端和第二子午面杆的底端距离第一刻度凹槽和第二刻度凹槽的交叉点的长度均相等，并且第一交点与第二交点接触；

移动第一弧矢面杆、第二弧矢面杆、第一子午面杆和第二子午面杆，使中间弹性圈保持在圆形，顶部弹性圈和底部弹性圈的形状变为椭圆形，并且第一交点与第二交点分开，像散现象产生。

可选的，所述移动第一弧矢面杆、第二弧矢面杆、第一子午面杆和第二子午面杆，使顶部弹性圈和底部弹性圈的形状变为椭圆形，具体包括：

将所述第一弧矢面杆的底端和所述第二弧矢面杆的底端反向移动相同距离；

将所述第一子午面杆的底端和所述第二子午面杆的底端同向移动相同距离；

所述第一子午面杆的底端和所述第二子午面杆的底端的移动距离与所述第一弧矢面杆的底端和所述第二弧矢面杆的底端的移动距离相等。

本发明还提供一种电镜消像散的演示方法，应用于上述电镜像散及消像散的演示装置，所述电镜消像散的演示方法，包括：

将所述演示装置调至像散状态；所述像散状态为第一弧矢面杆的底端和第二弧矢面杆的底端距离第一刻度凹槽和第二刻度凹槽的交叉点的长度相等，第一子午面杆的底端和第二子午面杆的底端距离第一刻度凹槽和第二刻度凹槽的交叉点的长度相等，所述第一弧矢面杆的底端和所述第二弧矢面杆的底端距离所述交叉点的长度不等于第一子午面杆的底端和第二子午面杆的底端距离所述交叉点的长度，并且第一交点与第二交点分开；

移动第一弧矢面杆、第二弧矢面杆、第一子午面杆和第二子午面杆，使中间弹性圈保持在圆形，顶部弹性圈和底部弹性圈的形状变为圆形，并且第一交点与第二交点接触，像散现象消除。

可选的，所述移动第一弧矢面杆、第二弧矢面杆、第一子午面杆和第二子午面杆，使顶部弹性圈和底部弹性圈的形状变为圆形，具体包括：

移动所述第一弧矢面杆的底端、所述第二弧矢面杆的底端、所述第一子午面杆的底端和所述第二子午面杆的底端，使所述第一弧矢面杆的底端、所述第二弧矢面杆的底端、所述第一子午面杆的底端和所述第二子午面杆的底端距离第一刻度凹槽和第二刻度凹槽的交叉点的长度均相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种电镜像散及消像散的演示装置，通过将第一弧矢面杆和第二弧矢面杆形成的平面作为第一平面，将第一子午面杆和第二子午面杆形成的平面作为第二平面，两平面相互垂直，第一平面模拟光学中的弧矢面，第二平面模拟光学中的子午面；顶部弹性圈和底部弹性圈分别模拟光学中的束斑形状，如果第一交点和第二交点重合表示子午面和弧矢面的焦距一致，能够聚焦到同一点上，无像散产生；如果第一交点和第二交点分开表示子午面和弧矢面的焦距不一致，不能够聚焦到同一点上，出现了像散；并且通过在底板设置两条相互垂直交叉的刻度凹槽，能够模拟光学或者电子光学中的像散情况：如果顶部弹性圈和底部弹性圈的形状均为圆形，则无像散产生，如果顶部弹性圈和底部弹性圈的形状均为椭圆形，则出现了像散。通过本发明的电镜像散及消像散的演示装置，使用机械装置模拟光学装置，更为直观、方便的模拟像散和消像散原理。

本发明还提供了一种电镜像散及消像散的演示方法，通过移动第一弧矢面杆、第二弧矢面杆、第一子午面杆和第二子午面杆，观察顶部弹性圈和底部弹性圈的形状是否变为椭圆形以及第一交点与第二交点是否分开，从而能够容易辨别出是否有像散的发生，更易理解像散和消像散原理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中无像散情况下聚焦示意图；

图2为本发明实施例中发生像散情况下的示意图；

图3为本发明实施例中电镜像散及消像散的演示装置结构示意图；

图4为本发明实施例中沿刻度凹槽方向结构示意图；

图5为本发明实施例中杆移动示意图；

图6为本发明实施例中电镜像散的演示方法流程图；

图7为本发明实施例中演示电镜像散后的装置示意图；

图8为本发明实施例中电镜消像散的演示方法流程图；

图9为本发明实施例中另一种电镜像散及消像散的演示装置结构示意图；

图10为本发明实施例中另一种电镜像散及消像散的演示装置结构的杆的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电镜像散及消像散的演示装置及方法，使用机械装置模拟光学装置，更为直观、方便的模拟像散和消像散原理。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

实施例

子午面和弧矢面借鉴光学的概念，子午面指物点的主光线与光轴所构成的平面，过光轴且与子午面相垂直的面则为弧矢面。无像散的情况，应该是子午面和弧矢面都聚焦到一个点上。图1为无像散情况下聚焦示意图，如图1所示，如果透镜磁场是轴对称的且没有像散，从透镜出来后光线会被汇聚，如果样品不在焦点且靠近透镜，那么称为欠焦；如果样品在焦点位置，称为正焦；如果样品远离焦点和透镜位置，称为过焦，在这些情况下，电子束斑汇聚的截面都是圆形。

但是，因为某些原因，比如各部件的机械加工偏差、极靴瑕疵、光阑孔脏污，导致透镜磁场不遵循轴对称分布，这样会导致子午面和弧矢面的焦距不一致，不能聚焦到同一个点上，出现了像散。图2为发生像散情况下的示意图，如图2所示，过焦时跟正焦时椭圆的方向垂直。

为了说明电镜像散和消像散原理，本发明提供了一种电镜像散及消像散的演示装置，图3为本发明实施例中电镜像散及消像散的演示装置结构图，如图3所示，电镜像散及消像散的演示装置，包括：第一弧矢面杆1、第二弧矢面杆2、第一子午面杆3、第二子午面杆4、顶部弹性圈5、中间弹性圈6、底部弹性圈7和底板8。

第一弧矢面杆1与第二弧矢面杆2交叉形成第一交点；第一子午面杆3与第二子午面杆4交叉形成第二交点；第一弧矢面杆1的两个端点与第二弧矢面杆2的两个端点均位于第一平面上；第一子午面杆3的两个端点与第二子午面杆4的两个端点均位于第二平面上；第一平面与第二平面相互垂直。本发明将第一弧矢面杆1和第二弧矢面杆2形成的第一平面模拟光学中的弧矢面，将第一子午面杆3和第二子午面杆4形成第二平面模拟光学中的子午面，第一平面与第二平面相互垂直即模拟光学中的弧矢面与子午面相互垂直；第一交点表示弧矢面的焦点，第二交点表示子午面的焦点。在无像散时，第一交点与第二交点接触；在发生像散时，第一交点与第二交点分离。第一弧矢面杆1、第二弧矢面杆2、第一子午面杆3和第二子午面杆4的材质均为不锈钢或玻璃钢。

顶部弹性圈5均与第一弧矢面杆1顶部、第二弧矢面杆2顶部、第一子午面杆3顶部和第二子午面杆4顶部固定连接；中间弹性圈6均与第一弧矢面杆1中部、第二弧矢面杆2中部、第一子午面杆3中部和第二子午面杆4中部固定连接；底部弹性圈7均与第一弧矢面杆1底部、第二弧矢面杆2底部、第一子午面杆3底部和第二子午面杆4底部固定连接。顶部弹性圈5、中间弹性圈6和底部弹性圈7的材质均为弹性体，选择弹塑性较好的材料，如橡胶，易于拉伸和收缩。本发明的顶部弹性圈5、中间弹性圈6和底部弹性圈7分别模拟光学中的焦斑形状，第一弧矢面杆1和第二弧矢面杆2运动表示弧矢面焦点的移动，第一子午面杆3和第二子午面杆4运动表示子午面焦点的移动。如果第一交点和第二交点重合表示子午面和弧矢面的焦距一致，能够聚焦到同一点上，无像散产生；如果第一交点和第二交点分开表示表示子午面和弧矢面的焦距不一致，不能够聚焦到同一点上，出现了像散。考虑到实际情况，杆有一定直径，第一交点和第二交点不可能完全重合，两个交点接触了就近似为重合。

其中，第一弧矢面杆1、第二弧矢面杆2、第一子午面杆3和第二子午面杆4的长度均相等。顶部弹性圈5与第一弧矢面杆1顶部的固定点到第一弧矢面杆1顶端的距离、顶部弹性圈5与第二弧矢面杆2顶部的固定点到第二弧矢面杆2顶端的距离、顶部弹性圈5与第一子午面杆3顶部的固定点到第一子午面杆3顶端的距离、顶部弹性圈5与第二子午面杆4顶部的固定点到第二子午面杆4顶端的距离，这四个距离均相等。考虑到实际情况，如杆有一定直径，四条杆不可能完全重合，弹性圈可能不是规则的圆形，所以近似认为是圆形。

中间弹性圈6与第一弧矢面杆1中部的固定点到第一弧矢面杆1中心点的距离、中间弹性圈6与第二弧矢面杆2中部的固定点到第二弧矢面杆2中心点的距离、中间弹性圈6与第一子午面杆3中部的固定点到第一子午面杆3中心点的距离、中间弹性圈6与第二子午面杆4中部的固定点到第二子午面杆4中心点的距离，这四个距离均相等。

底部弹性圈7与第一弧矢面杆1底部的固定点到第一弧矢面杆1底端的距离、底部弹性圈7与第二弧矢面杆2底部的固定点到第二弧矢面杆2底端的距离、底部弹性圈7与第一子午面杆3底部的固定点到第一子午面杆3底端的距离、底部弹性圈7与第二子午面杆4底部的固定点到第二子午面杆4底端的距离，这四个距离均相等。

底板8上设置有第一刻度凹槽9和第二刻度凹槽10，第一刻度凹槽9和第二刻度凹槽10相互垂直交叉，形状类似于x型，带有刻度的凹槽便于观察弧矢面杆和子午面杆的滑动距离。底板8的材质为钢、铜、铝中的一种。

图4为沿刻度凹槽方向结构示意图，如图4所示，镜像散及消像散的演示装置还包括：第一滑块11、第二滑块(图中未示出)、第三滑块(图中未示出)和第四滑块(图中未示出)。第一滑块11和第二滑块可滑动的设置在第一刻度凹槽9的两侧，第一弧矢面杆1的底端设置在第一滑块11上，第二弧矢面杆2的底端设置在第二滑块上。第三滑块和第四滑块可滑动的设置在第二刻度凹槽10的两侧，第一子午面杆3的底端设置在第三滑块上，第二子午面杆4的底端设置在第四滑块上。第一滑块11、第二滑块、第三滑块和第四滑块的材质为钢或铜。第一刻度凹槽9和第二刻度凹槽10的交叉点o、顶部弹性圈5的中心点、中间弹性圈6的中心点和底部弹性圈7的中心点均位于同一条直线上。

演示像散时，先确定无像散的位置，那就是第一交点与第二交点重合，这个时候三个弹性圈都是圆形，交点处的弹性圈半径最小。图5为杆移动示意图，如图所示，假设杆长为l，无像散时一对杆在底板8上的间距为d，然后一对杆(第一子午面杆3和第二子午面杆4为一对杆)做相向运动，且同时运动了距离x，接着另一对杆(第一弧矢面杆1和第二弧矢面杆2为另一对杆)做背向运动，也同时运行了距离x，第一交点和第二交点不再重合。

如图5所示，对弧矢面，当一条杆移动了x的水平距离，中间位置也较之无像散时移动了x的工作距离，对子午面也一样，所以在中间位置无论弧矢面和子午面如何运动，水平方向截面半径是等长的，因此中间位置还是一个圆。两对杆同时移动了相等的距离后，在杆中间位置的焦斑，仍维持圆形，只是相对于无像散时变大了，变大量就是移动的距离x。这跟真实的像散情况是一致的，所以这个模型可以很合理的模拟真实的情况。弧矢面顶端的距离缩小，子午面的顶端距离增加，两个直径不等，弹性圈应该是一个椭圆形，长边长为d+2x，短边长为d-2x；子午面也是如此分析，椭圆长短边一样，只是方向跟弧矢面垂直，这也跟像散现象一致。

在无像散时，顶部弹性圈5和底部弹性圈7直径为d，周长均为l0＝πd，每个杆移动距离x后，根据椭圆的周长计算公式l＝2πb+4(a-b)，其中a、b分别为长边和短边的半径，将长短边的半径(d+2x)/2和短边长为(d-2x)/2代入椭圆的周长计算公式，得lx＝πd+(8-2π)x≈πd+1.72x，说明随着x的增加，弹性圈的周长会变长，变长量为1.72x，所以弹性圈要选用有弹性模量小的材料做成，而不能选用弹性模量大不容易拉长的材料。这样弹性圈可以选择橡胶弹性圈，细弹簧丝等弹性模量小容易被拉伸的材料，不能选用钢丝、塑料环等弹性模量大不容易拉长的材料。对于中间弹性圈6，演示无像散时假设直径非常小为c(计算图中线段没有直径所以此直径为一个点，但是实际上杆有直径，这个弹性圈肯定会大于四个杆相交时的粗度)，演示有像散且移动量为x时直径为c+2πx，变长量为2πx，约为6.28x，比较大，所以，此弹性圈弹性模量要更小，更细且更容易变形。

本发明提供了一种电镜像散的演示方法，图6为本发明实施例中电镜像散的演示方法流程图，图7为演示电镜像散后的装置示意图(不含底板8)，如图6所示，电镜像散的演示方法，包括：

步骤101：将演示装置调至无像散状态；无像散状态为第一弧矢面杆1的底端、第二弧矢面杆2的底端、第一子午面杆3的底端和第二子午面杆4的底端距离第一刻度凹槽9和第二刻度凹槽10的交叉点的长度均相等，并且第一交点与第二交点接触，顶部弹性圈5、中间弹性圈6和底部弹性圈7均呈圆形，这时相当于透镜磁场是轴对称分布，子午面和弧矢面重合，子午面焦点和弧矢面焦点也一致。

步骤102：移动第一弧矢面杆1、第二弧矢面杆2、第一子午面杆3和第二子午面杆4，使顶部弹性圈5和底部弹性圈7的形状变为椭圆形，并且第一交点与第二交点分开，像散现象产生。

移动第一弧矢面杆1、第二弧矢面杆2、第一子午面杆3和第二子午面杆4，使顶部弹性圈5和底部弹性圈7的形状变为椭圆形，具体包括：

反向移动第一弧矢面杆1的底端和第二弧矢面杆2的底端相同距离。

同向移动第一子午面杆3的底端和第二子午面杆4的底端相同距离；移动第一子午面杆3的底端和第二子午面杆4的底端的距离与移动第一弧矢面杆1的底端和第二弧矢面杆2的底端的长度相等，距离能够从第一刻度凹槽9和第二刻度凹槽10读出。

消像散的原理就是像散产生的反过程，既然通过移动杆的位置x产生了像散，那么消像散就是把所有杆移动的位置都回到没像散的情形。本发明还提供了一种电镜消像散的演示方法，图8为本发明实施例中电镜消像散的演示方法流程图，如图8所示，一种电镜消像散的演示方法，包括：

步骤201：将演示装置调至像散状态；像散状态为第一弧矢面杆1的底端和第二弧矢面杆2的底端距离第一刻度凹槽9和第二刻度凹槽10的交叉点的长度相等，第一子午面杆3的底端和第二子午面杆4的底端距离第一刻度凹槽9和第二刻度凹槽10的交叉点的长度相等，第一弧矢面杆1的底端和第二弧矢面杆2的底端距离交叉点的长度不等于第一子午面杆3的底端和第二子午面杆4的底端距离交叉点的长度，并且第一交点与第二交点分开。

步骤202：移动第一弧矢面杆1、第二弧矢面杆2、第一子午面杆3和第二子午面杆4，使顶部弹性圈5和底部弹性圈7的形状变为圆形，并且第一交点与第二交点接触，像散现象消除。

移动第一弧矢面杆1、第二弧矢面杆2、第一子午面杆3和第二子午面杆4，使顶部弹性圈5和底部弹性圈7的形状变为圆形，具体包括：

移动第一弧矢面杆1的底端、第二弧矢面杆2的底端、第一子午面杆3的底端和第二子午面杆4的底端，使第一弧矢面杆1的底端、第二弧矢面杆2的底端、第一子午面杆3的底端和第二子午面杆4的底端距离第一刻度凹槽9和第二刻度凹槽10的交叉点的长度均相等。

本发明中的实施例还可进行更多设计，比如增加同步机构或者自动机构，通过齿轮、滑轮的组合，可以一次操作，使4个杆按需要移动特定距离。为了防止杆与滑块在移动或者固定时倾倒，可以将图4所示的凹槽改为t型槽或者燕尾槽。为了防止四条杆相互交错卡住，也为了更好的演示效果，选用的杆直径较小(例如1～3mm)，截面不一定是圆形，可以是矩形或者其他图形，以方便彼此间的移动。比如为了演示时四个杆更好的重合，按图9所示杆的形状，四条杆均为折线形，每条杆的上端杆与下端杆通过中间杆连接，并且上端杆与下端杆相互平行，中间杆与底板8保持平行，顶部弹性圈分别与四条杆的上端杆接触，中部弹性胶圈分别与四条杆的下端杆接触，底部弹性圈分别与四条杆的下端杆接触，通过这样设计使之更容易相交，并使中间弹性圈呈圆形，图9为本发明实施例中另一种电镜像散及消像散的演示装置结构示意图，用t型槽防止杆与滑块倾倒的，以及杆截面为矩形，不容易卡住等优点。图10为本发明实施例中另一种电镜像散及消像散的演示装置结构的杆的结构示意图。

本发明通过子午面和弧矢面的四条杆、两个交点的距离来表示像散是否存在及严重程度，方法简单，且非常直观易懂。通过各个杆上的弹性圈代表焦斑的形状，非常清晰且直观。四条杆和底座紧凑易携带，对场地没有要求，因为不用光学装置，对场地明亮也无要求。不仅可以演示像散的产生，还可以演示消像散的过程，比较全面，而且操作简单，准备方便，步骤少，演示效果好。此外，本发明不需要太多材料和费用就可以加工出来实物模型，节约了成本。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。