顯微世界探索的雙瞳：SEM與OM

— 深入了解掃描電子顯微鏡與光學顯微鏡的原理、應用與選擇指南

在科學研究、工業應用甚至生物醫學領域，顯微鏡是探索微觀世界的關鍵工具。

而其中掃描電子顯微鏡（SEM）與光學顯微鏡（OM）作為最常用的兩大類顯微鏡，

各自具備獨特的技術優勢與應用場景。

本篇文章將帶您深入剖析這兩種顯微鏡的工作與成像原理、解析度差異、樣品要求以及應用範疇。

透過詳細的對比分析，您將能夠快速了解SEM與OM的差異，

並根據您的需求選擇最適合的顯微鏡產品。

不論您是材料科學研究者、生物學家，還是工業檢測專家，

本指南將幫助您在探索微觀世界的道路上做出最明智的選擇。

• SEM（掃描電子顯微鏡,ScanningElectronMicroscope）
  

SEM通過聚焦的電子束掃描樣品表面。當電子束與樣品接觸時，會引起一系列複雜的相互作用，包括次級電子和背向散射電子的發射。這些電子信號被探測器捕捉並轉換為圖像，從而生成樣品表面結構的高解析度影像。SEM的成像是基於樣品與電子束的相互作用，因此能夠顯示出細微的表面細節，如微觀孔洞、裂縫和晶粒邊界。這使其特別適合於研究樣品的表面形貌和微觀結構。

• OM（光學顯微鏡,OpticalMicroscope）

OM則依賴於光學透鏡系統來放大樣品。光源（通常是可見光）照射到樣品上，光波通過折射、反射或透射等光學現象經過透鏡聚焦形成圖像。光學顯微鏡的成像原理相對簡單，主要利用可見光波與樣品的相互作用，觀察透明或半透明的樣品。這使其特別適合於生物學中的細胞或組織切片觀察。

• 金相顯微鏡（Metallographic Optical Microscope）

依賴於光學透鏡系統來放大金屬材料的微觀結構。光源（通常為可見光）照射到經過拋光和腐蝕處理的金屬樣品表面，經過樣品反射後的光波通過透鏡系統進行聚焦，形成清晰的放大圖像。金相顯微鏡的成像原理主要依賴反射光，而非透射光，因為金屬樣品通常不透明。這使其特別適合於觀察金屬及合金的顯微組織，如晶粒結構、相分布和夾雜物等，用於研究材料的性能與加工過程的關係。

2.解析度

• SEM
  由於電子的波長遠遠短於可見光，SEM的解析度要高得多。電子束的波長短至奈米或更小，因此可以觀察到遠小於光學顯微鏡所能分辨的結構。SEM的典型解析度範圍在1mm到10mm之間，能夠揭示出極微小的細節，如單一細胞表面的小型結構甚至亞細胞器。這種奈米級別的解析度在材料科學、奈米技術以及半導體工業中極為重要。

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• OM
  OM的解析度受到可見光波長（約400至700mm）的物理限制，通常在200mm左右。雖然這對許多生物樣品和宏觀結構來說已經足夠，但對於更小的奈米級結構，光學顯微鏡的能力顯得有限。例如，無法清晰觀察到病毒、細菌或納米材料的細節。隨著技術發展，超分辨光學顯微技術如STED（受激發射損耗顯微術）可以突破傳統光學極限，但成本較高且應用仍具挑戰。

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3.樣品要求

• SEM
  SEM觀察通常需要在真空環境中進行，這意味著樣品必須能夠承受低壓環境。此外，SEM只能觀察固體樣品，因為揮發性或濕潤樣品在真空中容易蒸發或變形。非導電樣品還需要經過處理，通常會鍍上一層極薄的導電材料（如金、鉑或碳），以避免電子束導致的樣品充電現象。此外，樣品必須具備一定的穩定性，以防止在掃描過程中損壞。
• OM
  光學顯微鏡的樣品準備要求較為簡單且靈活。樣品可以是固體、液體甚至氣體形式，且無需置於真空環境中。因此，生物樣品如活體細胞或組織切片都可以在自然狀態下進行觀察。另外，OM可以觀察透明或半透明樣品，這通常需要對樣品進行染色，以增強不同結構的對比度，從而使細節更為清晰。與SEM相比，OM的樣品準備成本和時間顯著降低。

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在金相顯微鏡的應用中，樣品準備過程較為特殊，因為金屬樣品通常是不透明的。樣品需經過拋光和化學腐蝕處理，以去除表面粗糙度並暴露其顯微結構。這一過程允許觀察到樣品的晶粒、相分布、缺陷及其他金屬材料特徵。雖然金相顯微鏡的樣品準備相比一般光學顯微鏡更為繁瑣，但與電子顯微鏡相比，準備過程仍較為便捷且成本較低。可電子顯微鏡則具備更高的放大倍率與分辨率。

4.成象的深度與範圍

• SEM
  SEM擁有極高的景深（depth of field），使其能夠生成非常立體的圖像，特別是在低放大倍率下觀察時能保持大量細節的清晰度。這使其特別適合於觀察樣品表面的大範圍三維結構，如微機電系統（MEMS）、材料表面粗糙度或生物樣品的外部形態。此外，SEM的電子束可以穿透樣品的淺層表面，這使其能夠觀察到一些表層下的結構特徵。
• OM
  光學顯微鏡的景深較為有限，特別是在高放大倍率下，焦點平面以外的部分通常變得模糊。這意味著光學顯微鏡更適合觀察薄層樣品或平坦的樣品表面，例如切片樣本。儘管如此，現代光學顯微鏡技術如共焦顯微鏡，可以通過分層掃描樣品，生成清晰的三維圖像，部分彌補了這一局限。

5.應用範圍

• SEM

SEM在許多科學領域中扮演著重要角色，包括材料科學、金屬學、電子學和奈米技術。其高解析度和景深使其特別適合於分析材料的微觀結構、晶粒、缺陷以及薄膜的表面形態。此外，SEM廣泛應用於生物學領域，用於觀察細胞、微生物和其他微小生物體的形態學結構。在半導體和工業領域，SEM被用於分析電路、檢測缺陷以及測量微小元件。

• OM

光學顯微鏡是生物學、醫學和材料科學中最常用的工具之一。它適合觀察相對較大的結構，如細胞、組織切片和晶體，並能通過不同的染色技術獲取樣品的結構和化學信息。例如，在病理學中，醫生使用光學顯微鏡來檢查組織切片中的異常細胞；在材料科學中，OM則常用來分析材料的晶粒結構和相組成。

• 金相顯微鏡

金相顯微鏡主要應用於研究金屬材料的微觀結構，廣泛用於以下領域：

• 材料科學：觀察金屬的晶粒、相分布、晶界和缺陷等，研究材料的性質與加工過程。
• 冶金學：分析合金成分、鑑定熱處理效果，評估材料的質量與強度。
• 失效分析：檢查金屬構件的斷裂、疲勞和腐蝕情況，以判斷失效原因。
• 製造業：品質控制和檢驗，確保生產過程中的金屬零件符合要求。
• 學術研究：用於金屬材料的結構研究與教學演示。

SEM與OM在成像機制、解析度、樣品準備要求及應用領域上各具優勢。

SEM擅長提供奈米級別的表面結構細節，適合需要高解析度的材料和生物樣品的微觀分析。

然而會需要更多的樣品準備工作及專門設備。

OM則以其便捷性和靈活性著稱，

適合觀察較大樣品和生物樣品的基本結構，像是組織學和細胞學中的應用，

也能做金屬材料的微觀結構觀察，常用於研究晶粒、相分布和缺陷。

兩者在科學研究和工業領域中互為補充，為科學家提供了從微觀到宏觀的多層次觀察手段。

目前桌上型掃描式電子顯微鏡價格已與高階數位顯微鏡價格差異不大

如果是您會購買何種顯微鏡作為提升檢驗效率的工具呢?