一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法

本发明涉及微纳米立体长度测量，具体涉及一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法。

背景技术：

1、扫描电子显微镜，简称扫描电镜，它通过聚焦电子束轰击样品表面，收集入射电子与物质相互作用所产生的二次电子、背散射电子等在内的多种信号来实现对被测样品表面的观察和分析，最终获取样品形貌、组成、晶体结构等信息。扫描电镜在微米、纳米材料的形态观测和研究方面，具有许多优越性：分辨率高、测量范围大；景深大，形态观测直观、易于分析；适用样品范围广，操作简便。这使得扫描电镜成为材料学、生物医学等各大专业领域中广泛使用的重要研究和分析测试工具。放大观察和微尺度测量是扫描电镜的固定功能，目前常见场发射扫描电镜的分辨率可优于1nm，足以用来测量微纳米量级的物体，并已广泛用于无机、有机和生物类材料的微结构的表征测量。长度测量是扫描电镜中最常用的测量分析手段，各大仪器厂家都已预先对扫描电镜的放大倍数及标尺进行了校准，使其可以在限定分辨率条件下根据扫描电镜图轻易测量出各类样品的直观显示长度。

2、由于扫描电镜的成像原理的限制，其只能测量出样品在水平平面内的显示长度，当待测样品平行于水平平面，可认为该测量长度即为待测样品的实际长度。若待测样品与水平平面呈一定夹角，扫描电镜的测量长度则为待测样品在水平平面内的投影，即我们观测到的待测样品俯视图中的测量长度。例如，图1是小鼠耳蜗组织的扫描电镜图，其中毛细胞上的众多静纤毛与水平平面呈一定夹角，由于角度未知，倾斜方向不一致，其实际长度不能直接测量，如能准确定量的研究静纤毛的长度变化规律，对于研究调控静纤毛发育及(或)维持相关的基因功能具有重要价值。在扫描电镜的实际测试中，这种情形非常常见，如何准确方便的测量微纳米级的待测样品的立体长度是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。

2、一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，扫描电子显微镜包括样品台和电子荧幕；通过扫描电子显微镜测量出样品台水平状态和绕x轴倾斜η角度后待测样品在电子荧幕的xy平面内的投影长度lα、lβ及投影与x轴的夹角α、β，从而计算得出样品台水平状态时待测样品在电子荧幕的yz平面内的投影与y轴的夹角θ，最后得出待测样品的立体长度l；测量取值α、β时，α、β与x轴的同方向取值且不小于零度且不大于九十度；样品台倾斜η角度后，待测样品在电子荧幕的yz平面内的投影所处的象限与样品台水平状态时待测样品在电子荧幕的yz平面内的投影所处的象限相一致。

3、优选的，当β<α，且lβ<lα时，θ的计算公式为：a·tan4θ-b·tan3θ+c·tan2θ-d·tanθ+e＝0，其中，a＝(lαsinαtanη)2，b＝2lα2sin2αtanη，c＝(sin2α+tan2η)lα2-(sin2β+tan2η)lβ2，d＝2(lβ2sin2β+lα2-lβ2)tanη，e＝lα2-lβ2-lβ2sin2βtan2η，根据前述计算公式计算得出tanθ，从而计算得出待测样品的立体长度l；l的计算公式为：l2＝lα2+l12或l2＝lβ2+l22，其中，l1＝lαsinαtanθ，l2＝lβsinβtan(θ+η)，l1为初始状态下待测样品在z轴的投影长度，l2为样品台倾斜η角度后待测样品在z轴的投影长度。

4、优选的，当β>α，且lβ>lα时，θ的计算公式为：a·tan4θ+b·tan3θ+c·tan2θ+d·tanθ+e＝0，其中，a＝(lαsinαtanη)2，b＝2lα2sin2αtanη，c＝(sin2α+tan2η)lα2-(sin2β+tan2η)lβ2，d＝2(lβ2sin2β+lα2-lβ2)tanη，e＝lα2-lβ2-lβ2sin2βtan2η，根据前述计算公式计算得出tanθ，从而计算得出待测样品的立体长度l；l的计算公式为：l2＝lα2+l12或l2＝lβ2+l22，其中，l1＝lαsinαtanθ，l2＝lβsinβtan(θ-η)，l1为初始状态下待测样品在z轴的投影长度，l2为样品台倾斜η角度后待测样品在z轴的投影长度。

5、优选的，当α＝90°，且lβ<lα时，θ的计算公式为：tanθ＝(lα·cosη-lβ)/(lα·sinη)，根据前述计算公式计算得出tanθ，从而计算得出待测样品的立体长度l，l的计算公式为：l＝lα/cosθ或l＝lβ/cos(θ+η)。

6、优选的，当α＝90°，且lβ>lα时，θ的计算公式为：tanθ＝(lβ-lα·cosη)/(lα·sinη)，根据前述计算公式计算得出tanθ，从而计算得出待测样品的立体长度l，l的计算公式为：l＝lα/cosθ或l＝lβ/cos(θ-η)。

7、优选的，当α＝0°时，l的计算公式为：l2＝lβ2+(lβ·sinβ·cotη)2。

8、优选的，在测量取值α、β之前，通过如下步骤对显微镜和待测样品进行调整：

9、s1，将待测样品放至显微镜的样品台的中心位置，调整样品台的高度，以将样品台调整至目标工作距离，所述显微镜包括电子荧幕，用于对待测样品的二维成像进行显示；

10、s2，调整放大倍数；

11、s3，将二维成像正焦并消除物镜的像散；

12、s4，调整二维成像的反差，以使待测样品清晰可测量，。

13、优选的，s2中，调整待测样品的放大倍数时，应使待测样品在xy平面内的投影长度不大于电子荧幕中成像视场的五分之四。

14、优选的，所述显微镜包括驱动装置，所述驱动装置用于驱动样品台沿x轴移动、沿y轴移动、沿z轴移动、绕z轴旋转、绕x轴倾斜。

15、优选的，所述显微镜包括长度测量单元和角度测量单元，通过所述长度测量单元分别测量lα和lβ的值；通过所述角度测量单元分别测量α和β的值。

16、本发明提供的一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，仅通过样品台的一次倾斜即可计算出待测样品的三维立体长度，并且在视野范围内可同时获得多组测量数据，操作简单，测量结果准确，对微纳米级的立体长度测量研究具有重要意义。

技术特征：

1.一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，其特征在于：扫描电子显微镜包括样品台和电子荧幕；通过扫描电子显微镜测量出样品台水平状态和绕x轴倾斜η角度后待测样品在电子荧幕的xy平面内的投影长度lα、lβ及投影与x轴的夹角α、β，从而计算得出样品台水平状态时待测样品在电子荧幕的yz平面内的投影与y轴的夹角θ，最后得出待测样品的立体长度l；测量取值α、β时，α、β与x轴的同方向取值且不小于零度且不大于九十度；样品台倾斜η角度后，待测样品在电子荧幕的yz平面内的投影所处的象限与样品台水平状态时待测样品在电子荧幕的yz平面内的投影所处的象限相一致。

2.根据权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，其特征在于：当β<α，且lβ<lα时，θ的计算公式为：a·tan4θ-b·tan3θ+c·tan2θ-d·tanθ+e＝0，其中，a＝(lαsinαtanη)2，b＝2lα2sin2αtanη，c＝(sin2α+tan2η)lα2-(sin2β+tan2η)lβ2，d＝2(lβ2sin2β+lα2-lβ2)tanη，e＝lα2-lβ2-lβ2sin2βtan2η，根据前述计算公式计算得出tanθ，从而计算得出待测样品的立体长度l；l的计算公式为：l2＝lα2+l12或l2＝lβ2+l22，其中，l1＝lαsinαtanθ，l2＝lβsinβtan(θ+η)，l1为初始状态下待测样品在z轴的投影长度，l2为样品台倾斜η角度后待测样品在z轴的投影长度。

3.根据权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，其特征在于：当β>α，且lβ>lα时，θ的计算公式为：a·tan4θ+b·tan3θ+c·tan2θ+d·tanθ+e＝0，其中，a＝(lαsinαtanη)2，b＝2lα2sin2αtanη，c＝(sin2α+tan2η)lα2-(sin2β+tan2η)lβ2，d＝2(lβ2sin2β+lα2-lβ2)tanη，e＝lα2-lβ2-lβ2sin2βtan2η，根据前述计算公式计算得出tanθ，从而计算得出待测样品的立体长度l；l的计算公式为：l2＝lα2+l12或l2＝lβ2+l22，其中，l1＝lαsinαtanθ，l2＝lβsinβtan(θ-η)，l1为初始状态下待测样品在z轴的投影长度，l2为样品台倾斜η角度后待测样品在z轴的投影长度。

4.根据权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，其特征在于：当α＝90°，且lβ<lα时，θ的计算公式为：tanθ＝(lα·cosη-lβ)/(lα·sinη)，根据前述计算公式计算得出tanθ，从而计算得出待测样品的立体长度l，l的计算公式为：l＝lα/cosθ或l＝lβ/cos(θ+η)。

5.根据权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，其特征在于：当α＝90°，且lβ>lα时，θ的计算公式为：tanθ＝(lβ-lα·cosη)/(lα·sinη)，根据前述计算公式计算得出tanθ，从而计算得出待测样品的立体长度l，l的计算公式为：l＝lα/cosθ或l＝lβ/cos(θ-η)。

6.根据权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，其特征在于：当α＝0°时，l的计算公式为：l2＝lβ2+(lβ·sinβ·cotη)2。

7.根据权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，其特征在于：在测量取值α、β之前，通过如下步骤对显微镜和待测样品进行调整：

8.根据权利要求7所述的一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，其特征在于：s2中，调整待测样品的放大倍数时，应使待测样品在xy平面内的投影长度不大于电子荧幕中成像视场的五分之四。

9.根据权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，其特征在于：所述显微镜包括驱动装置，所述驱动装置用于驱动样品台沿x轴移动、沿y轴移动、沿z轴移动、绕z轴旋转、绕x轴倾斜。

10.根据权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，其特征在于：所述显微镜包括长度测量单元和角度测量单元，通过所述长度测量单元分别测量lα和lβ的值；通过所述角度测量单元分别测量α和β的值。

技术总结
本发明涉及一种基于扫描电子显微镜的立体长度测量方法，通过扫描电子显微镜测量出样品台水平状态和绕X轴倾斜η角度后待测样品在电子荧幕的XY平面内的投影长度l<subgt;α</subgt;、l<subgt;β</subgt;及投影与X轴的夹角α、β，从而计算得出样品台水平状态时待测样品在电子荧幕的YZ平面内的投影与Y轴的夹角θ，最后得出待测样品的立体长度L；其中，α、β应与X轴的同方向取值且不小于零度且不大于九十度；样品台倾斜η角度后，待测样品在YZ平面内的投影所处的象限与初始状态时在YZ平面内的投影所处的象限相一致。本发明仅通过样品台的一次倾斜即可计算出待测样品的三维立体长度，操作简单，测量结果准确，对微纳米级的立体长度测量研究具有重要意义。

技术研发人员：王森,孟祥锋,李亚慧
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13