SEM图像解读-1
SEM图像解读-1 图片本身给出的信息
前言
扫描电镜作为一种重要的成像工具,最重要的输出结果自然是图像。在电镜测试中,我们通常以看到图像开始,也是以获得和解读图像为终。所以本文将从图像的一些简单概念入手,最后由图片信息判断参数是否合适,以帮助读者加深对扫描电镜及图像的认识和理解,也指导我们在拍摄时调节参数。
1 图片给出的信息
1.1 图像尺寸、像素、灰度和位深度
查看扫描电镜的图像,会发现图像属性的详细消息中有很多术语。比如在图1a中,就可以看到“分辨率”、“水平分辨率”和“位深度”等,它们分别代表什么意义呢?
在图中,“分辨率”值为1280×960,即宽度方向和高度方向上像素数量的乘积,乘积算出的值就是像素数,即1280×960≈123万(像素)。而“水平分辨率”和“垂直分辨率”,数值是256 dpi ,它们是在对应方向上一英寸上的像素数量,即像素密度(像素/英寸),其数值越高表示图像的解析度越高。
需要注意的是,这些有关图像的术语都不是我们通常谈及的“电镜的分辨率”,那是指分辨细节的能力。像素乘积的“分辨率”术语,在电镜中被称为Capture resolution、Data size或者Store resolution,本文使用图像尺寸的概念来称呼,以方便与“电镜的分辨率”相区分。
图1 图像的尺寸和像素
我们可以在采集图像前按需设置图像尺寸。对于扫描电镜原始图像而言,尺寸太小(像素太少)的图像特征粗糙、缺乏过渡,容易马赛克化;而大尺寸的图像可以在后期把图像放得更大,并能观察其细节、颜色过渡和层次感。但是扫描电镜的图像尺寸也不是越大越好,太多的像素会延长采集图片的时间,或降低每个像素上的信号强度,以及导致图像漂移等不利因素。
除非后处理着色,原始的电镜图像是黑白像,亦即灰度像。图1b是一幅SEM图像,通常在图像下部有一些重要信息,比如标尺和电镜参数等。如果我们将电镜图像放大,直至可以分辨出“棋盘格”上单个的方块,如图1c所示。此时每个独立方块就是一个像素(pixel,也被称为picture element或者image element),它是图像的最小单元,且只对应一个灰度值。
图像上的特征识别基于像素间显示的差别,因此每个像素的灰度值跟信号强度要一一对应,这首先需要对灰度值进行量化。对于黑白图像,如果从弱到强分了256个灰度值(色阶),设定最暗的是纯黑(0),最亮的是纯白(255),中间灰度值介于0~255之间,可以完全满足人眼对灰度图像的识别。参见图1c所示的像素队列及其对应的灰度值。
计算机使用二进制,十进制的256即28,对应二进制就是8位,即位深度值为8(见图1a)。位深度通俗讲就是颜色或灰度的梯度范围。对于彩色图像,因为彩色要分非常多的色阶,位深度会比较高,通常为24。而对于电镜图像,因为是黑白像,故通常不需要那么多色阶,通常为8,也可以按需设置较大的位深度。
1.2 放大倍数和标尺
作为显微图片,知道被放大了多少倍才能计算观察物的尺寸,所以图片会给出放大倍数。放大倍数的介绍见专栏6,它是图像宽度跟样品上扫描宽度子比,也是图像像素跟样品像素之比。按直觉,放大倍数越大,细节被放大的越大,但是有两个问题需要注意:
一是放大倍数不是越大越好。放大倍数越大视场就越小。最重要的是,在很高的放大倍数下,样品像素急剧变小,加上束斑尺寸和信号作用区的限制,受限于扫描电镜分辨能力和样品本身特征,图像会变得模糊。还应根据特征的尺寸设置放大倍数和像素尺寸。在高分辨成像时,为满足奈奎斯特采样定律,应使样品像素约为分辨率极限的三分之一或二分之一,甚至更小,从而使最小细节的显示不受显示的像素大小的限制。
二是放大倍数的定义存在差异:一种常用定义把像宽L设定为12.7 cm(早期冲洗照片的宽度),被称为照片放大率(Photo magnification)或宝丽来(Polaroid)放大;另一种定义把L设定为显示器上图像的大小,被称为屏幕放大率(Display magnification)。对同一物宽度l,两种放大倍数显然会存在不一致。如今的显示器尺寸大于12.7 cm,所以后一种定义的倍率数值较大。
另外,对原图像的显示和处理会导致放大倍数变化,比如对图像进行分割或放大。就如地图要标识比例尺一样,电镜照片中也要有标尺(Scale bar或者Mini marker),如图1b所示,标尺随着图像缩放,也有测量功能。因此,不同电镜图像间的尺寸比对应以标尺为参照,而不是单纯通过放大倍数进行比较。如图2使用Nano Measurer测量颗粒尺寸,软件需要预先设置标尺,而不是给出放大倍数。
图2 依据标尺测量颗粒尺寸
1.3 图片中的参数信息
除了放大倍数和标尺外,扫描电镜的图片通常还会给出加速电压、工作距离、探测器型号等关键信息。
图3 图片上的重要参数
知道这些信息,除了可以让我们后续可以复现和对比实验外,还能判断图片拍摄者参数设置是否合理,图片质量跟参数有无关联等,见本栏第三节内容。
2 图片的亮度和对比度
有些厂家的图片可以用记事本打开,除查看以上数据外还能查看很多参数,比如拍摄时的亮度和对比度,见图4所示。
图4 记事本打开图片呈现的参数信息
对于扫描电镜图像,图像亮度(brightness)指图像的明亮程度,整幅图灰度值越高则图像越亮。而对比度(contrast)指的是最高和最低灰度值之间的差别,对比度越高,图像越明锐、层次突出、样品特征明显。但是太高的对比度会导致部分区域过曝或者欠曝,也会让噪点变得明显。
为了获得满意的图像,一般需要亮度和对比度搭配进行调节。以图5锡球图像的灰度/对比度调节过程为例。若图像的位深度为8,则图像灰度值的范围为0~255,坐标轴上0为黑,255为白。我们拾取图像中间处水平线的像素-灰度值曲线,然后进行灰度/对比度调节使得图像更清晰,特征更明显。
图5 图像的亮度/对比度调节原理
图5a的图像灰暗且特征不清晰,因为曲线整体的强度值不高,最高灰度值和最低灰度值的差别也不是很大。首先,使用亮度调节:通过增加信号的直流分量来提高曲线整体的强度值,使图像整体变亮,但是图像还不够明锐、层次不突出,如图5b所示。第二步可以调节图像对比度:通过提高信号增益,使大部分信号都位于0~255的范围内,从而得到清晰、明锐、层次分明的图像,如图5c所示。过度增加亮度或者增加对比度,会使灰度值超出探测器的动态范围,出现过曝或欠曝的区域,丢失其中的细节信息,如图5d所示锡球边缘存在过曝。
在很多情况下,亮度值设置在50%左右,根据信号强度调节对比度,则较易达到满意的效果。对于亮度/对比度的调节,若试样表面平坦且各处差别不大,可以加大对比度,以突出特征区域;若试样本身产生强烈的明暗对比,则可以降低对比度。需要说明的是,对图像质量的判断有很大的主观,对比度/亮度调节可在反应客观的前提下按个人喜好或者目的进行。
除了手工调节亮度/对比度外,目前的电镜软件都具有自动调节对比度和亮度的功能,或者直方图修正工具、伽马调节等手段。
3 由图片信息判断参数是否合适
许多时候需要比对图片或者复现或改进实验,此时先前图片的信息可以提供很好的线索,用以判断参数是否合适,需要在那些方面进行改进。
下边举几个例子,并假设左侧的图片参数设置有问题,通过更改设置后得到较为理想的图像。通过这些案例,反过来也告诉我们:合适的设置参数对图像质量的影响。
3.1 加速电压选择不合适
加速电压是极其重要的设置参数(专栏7),很多时候决定了表征的效果。
锂离子电池隔膜为有机物材料(聚烯烃类),熔点不高,易受电子束辐照损伤,所以图6左图在高电压下发生了变形,而且表面细节并不突出,将加速电压降低得以改善。
图6 锂离子电池隔膜的图像
图7所示的样品表面有些氧化层,使用背散射电子探测器(BSD/SSD/DBS),加速电压太低时信号来自表层,加之探测器对高能电子更敏感,所以左图并不理想。增加加速电压可能得到理想的结果,如右图所示。
图7 抛光后钢铁的图像
对于绝缘样品,加速电压选择不合适也容易导致荷电。左图荷电效应明显,通过尝试改变加速电压,使得荷电效应减弱。
图8 硅片上有机物的图像
3.2 工作距离选择不合适
工作距离是非常重要的设置参数(专栏6),在高倍时往往需要降低工作距离。左图图像质量较差,因为工作距离太大,降低工作距离后得到右图,清晰度大为改善。
图9 纳米二氧化硅球(团聚)的图像
3.3 束流等参数不合适
束流对图像质量的影响也非常大(专栏7)。对于碳上的白金颗粒,左图有些模糊,光阑(Aperture)选择了7(对应 120 μm),在高倍时过大。选择1(对应 30 μm),图像清晰度和锐度大为改善。
图10 碳上白金颗粒的图像
3.4 探测器等参数不合适
场发射扫描电镜中往往安装多个探测器,特点鲜明。对一个不干净的抛光金属,左图难以看到各晶粒的取向和晶界,反而能看到一些污染物。该电镜的SE2探测器会接收一些二次电子,反映了较多表面信息。右图使用了背散射探测器BSD,晶粒的取向和晶界清晰可见。
图11 石墨烯上白金颗粒的图像
3.5 亮度对比度调节不合适
对于石墨烯上的白金颗粒,左图整体上细节不突出,锐度也不佳,一些小金属颗粒也难以看到。显示更多设置信息,并找到了原因:左图的亮度值太高而对比度值又太低。调低亮度,增加对比度,右图的图像质量大为改善。还可以使用后处理,调节左图的亮度/对比度。
图12 石墨烯上白金颗粒的图像
当然,图片上不可能给出所有参数信息,有时还需要借助其他方式显示更多参数,比如ImageJ/Fiji软件及插件,也可以在电镜软件上增加显示的设置参数。
在电镜图像中,不同区域间存在的明暗程度的差异,这些差异给我们提供信息,让我们解读图像反映的样品特征,下一篇专栏文章我们将会了解图像的衬度。
精彩回顾
参考文献
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