SEM圖像解讀-1 圖片本身給出的信息

 

前言

 

掃描電鏡作為一種重要的成像工具，最重要的輸出結果自然是圖像。在電鏡測試中，我們通常以看到圖像開始，也是以獲得和解讀圖像為終。所以本文將從圖像的一些簡單概念入手，最后由圖片信息判斷參數是否合適，以幫助讀者加深對掃描電鏡及圖像的認識和理解，也指導我們在拍攝時調節參數。

 

1 圖片給出的信息

 

1.1 圖像尺寸、像素、灰度和位深度

 

查看掃描電鏡的圖像，會發現圖像屬性的詳細消息中有很多術語。比如在圖1a中，就可以看到“分辨率”、“水平分辨率”和“位深度”等，它們分別代表什么意義呢？

 

在圖中，“分辨率”值為1280×960，即寬度方向和高度方向上像素數量的乘積，乘積算出的值就是像素數，即1280×960≈123萬（像素）。而“水平分辨率”和“垂直分辨率”，數值是256 dpi ，它們是在對應方向上一英寸上的像素數量，即像素密度（像素/英寸），其數值越高表示圖像的解析度越高。

 

需要注意的是，這些有關圖像的術語都不是我們通常談及的“電鏡的分辨率”，那是指分辨細節的能力。像素乘積的“分辨率”術語，在電鏡中被稱為Capture resolution、Data size或者Store resolution，本文使用圖像尺寸的概念來稱呼，以方便與“電鏡的分辨率”相區分。

 

圖1 圖像的尺寸和像素

 

我們可以在采集圖像前按需設置圖像尺寸。對于掃描電鏡原始圖像而言，尺寸太小（像素太少）的圖像特征粗糙、缺乏過渡，容易馬賽克化；而大尺寸的圖像可以在后期把圖像放得更大，并能觀察其細節、顏色過渡和層次感。但是掃描電鏡的圖像尺寸也不是越大越好，太多的像素會延長采集圖片的時間，或降低每個像素上的信號強度，以及導致圖像漂移等不利因素。

 

除非后處理著色，原始的電鏡圖像是黑白像，亦即灰度像。圖1b是一幅SEM圖像，通常在圖像下部有一些重要信息，比如標尺和電鏡參數等。如果我們將電鏡圖像放大，直至可以分辨出“棋盤格”上單個的方塊，如圖1c所示。此時每個獨立方塊就是一個像素（pixel，也被稱為picture element或者image element），它是圖像的最小單元，且只對應一個灰度值。

 

圖像上的特征識別基于像素間顯示的差別，因此每個像素的灰度值跟信號強度要一一對應，這首先需要對灰度值進行量化。對于黑白圖像，如果從弱到強分了256個灰度值（色階），設定最暗的是純黑（0），最亮的是純白（255），中間灰度值介于0~255之間，可以完全滿足人眼對灰度圖像的識別。參見圖1c所示的像素隊列及其對應的灰度值。

 

計算機使用二進制，十進制的256即28，對應二進制就是8位，即位深度值為8（見圖1a）。位深度通俗講就是顏色或灰度的梯度范圍。對于彩色圖像，因為彩色要分非常多的色階，位深度會比較高，通常為24。而對于電鏡圖像，因為是黑白像，故通常不需要那么多色階，通常為8，也可以按需設置較大的位深度。

 

1.2 放大倍數和標尺

 

作為顯微圖片，知道被放大了多少倍才能計算觀察物的尺寸，所以圖片會給出放大倍數。放大倍數的介紹見專欄6，它是圖像寬度跟樣品上掃描寬度子比，也是圖像像素跟樣品像素之比。按直覺，放大倍數越大，細節被放大的越大，但是有兩個問題需要注意：

 

一是放大倍數不是越大越好。放大倍數越大視場就越小。最重要的是，在很高的放大倍數下，樣品像素急劇變小，加上束斑尺寸和信號作用區的限制，受限于掃描電鏡分辨能力和樣品本身特征，圖像會變得模糊。還應根據特征的尺寸設置放大倍數和像素尺寸。在高分辨成像時，為滿足奈奎斯特采樣定律，應使樣品像素約為分辨率極限的三分之一或二分之一，甚至更小，從而使最小細節的顯示不受顯示的像素大小的限制。

 

二是放大倍數的定義存在差異：一種常用定義把像寬L設定為12.7 cm（早期沖洗照片的寬度），被稱為照片放大率（Photo magnification）或寶麗來（Polaroid）放大；另一種定義把L設定為顯示器上圖像的大小，被稱為屏幕放大率（Display magnification）。對同一物寬度l，兩種放大倍數顯然會存在不一致。如今的顯示器尺寸大于12.7 cm，所以后一種定義的倍率數值較大。

 

另外，對原圖像的顯示和處理會導致放大倍數變化，比如對圖像進行分割或放大。就如地圖要標識比例尺一樣，電鏡照片中也要有標尺（Scale bar或者Mini marker），如圖1b所示，標尺隨著圖像縮放，也有測量功能。因此，不同電鏡圖像間的尺寸比對應以標尺為參照，而不是單純通過放大倍數進行比較。如圖2使用Nano Measurer測量顆粒尺寸，軟件需要預先設置標尺，而不是給出放大倍數。

 

圖2 依據標尺測量顆粒尺寸

 

1.3 圖片中的參數信息

 

除了放大倍數和標尺外，掃描電鏡的圖片通常還會給出加速電壓、工作距離、探測器型號等關鍵信息。

 

圖3 圖片上的重要參數

 

知道這些信息，除了可以讓我們后續可以復現和對比實驗外，還能判斷圖片拍攝者參數設置是否合理，圖片質量跟參數有無關聯等，見本欄第三節內容。

 

2 圖片的亮度和對比度

 

有些廠家的圖片可以用記事本打開，除查看以上數據外還能查看很多參數，比如拍攝時的亮度和對比度，見圖4所示。

 

圖4 記事本打開圖片呈現的參數信息

 

對于掃描電鏡圖像，圖像亮度（brightness）指圖像的明亮程度，整幅圖灰度值越高則圖像越亮。而對比度（contrast）指的是最高和最低灰度值之間的差別，對比度越高，圖像越明銳、層次突出、樣品特征明顯。但是太高的對比度會導致部分區域過曝或者欠曝，也會讓噪點變得明顯。

 

為了獲得滿意的圖像，一般需要亮度和對比度搭配進行調節。以圖5錫球圖像的灰度/對比度調節過程為例。若圖像的位深度為8，則圖像灰度值的范圍為0~255，坐標軸上0為黑，255為白。我們拾取圖像中間處水平線的像素-灰度值曲線，然后進行灰度/對比度調節使得圖像更清晰，特征更明顯。

 

圖5 圖像的亮度/對比度調節原理

 

圖5a的圖像灰暗且特征不清晰，因為曲線整體的強度值不高，最高灰度值和最低灰度值的差別也不是很大。首先，使用亮度調節：通過增加信號的直流分量來提高曲線整體的強度值，使圖像整體變亮，但是圖像還不夠明銳、層次不突出，如圖5b所示。第二步可以調節圖像對比度：通過提高信號增益，使大部分信號都位于0~255的范圍內，從而得到清晰、明銳、層次分明的圖像，如圖5c所示。過度增加亮度或者增加對比度，會使灰度值超出探測器的動態范圍，出現過曝或欠曝的區域，丟失其中的細節信息，如圖5d所示錫球邊緣存在過曝。

 

在很多情況下，亮度值設置在50%左右，根據信號強度調節對比度，則較易達到滿意的效果。對于亮度/對比度的調節，若試樣表面平坦且各處差別不大，可以加大對比度，以突出特征區域；若試樣本身產生強烈的明暗對比，則可以降低對比度。需要說明的是，對圖像質量的判斷有很大的主觀，對比度/亮度調節可在反應客觀的前提下按個人喜好或者目的進行。

 

除了手工調節亮度/對比度外，目前的電鏡軟件都具有自動調節對比度和亮度的功能，或者直方圖修正工具、伽馬調節等手段。

 

3 由圖片信息判斷參數是否合適

 

許多時候需要比對圖片或者復現或改進實驗，此時先前圖片的信息可以提供很好的線索，用以判斷參數是否合適，需要在那些方面進行改進。

 

下邊舉幾個例子，并假設左側的圖片參數設置有問題，通過更改設置后得到較為理想的圖像。通過這些案例，反過來也告訴我們：合適的設置參數對圖像質量的影響。

 

3.1 加速電壓選擇不合適

加速電壓是極其重要的設置參數（專欄7），很多時候決定了表征的效果。

鋰離子電池隔膜為有機物材料（聚烯烴類），熔點不高，易受電子束輻照損傷，所以圖6左圖在高電壓下發生了變形，而且表面細節并不突出，將加速電壓降低得以改善。

 

圖6 鋰離子電池隔膜的圖像

 

圖7所示的樣品表面有些氧化層，使用背散射電子探測器（BSD/SSD/DBS），加速電壓太低時信號來自表層，加之探測器對高能電子更敏感，所以左圖并不理想。增加加速電壓可能得到理想的結果，如右圖所示。

 

圖7 拋光后鋼鐵的圖像

 

對于絕緣樣品，加速電壓選擇不合適也容易導致荷電。左圖荷電效應明顯，通過嘗試改變加速電壓，使得荷電效應減弱。

 

圖8 硅片上有機物的圖像

 

3.2 工作距離選擇不合適

工作距離是非常重要的設置參數（專欄6），在高倍時往往需要降低工作距離。左圖圖像質量較差，因為工作距離太大，降低工作距離后得到右圖，清晰度大為改善。

 

圖9 納米二氧化硅球（團聚）的圖像

 

3.3 束流等參數不合適

束流對圖像質量的影響也非常大（專欄7）。對于碳上的白金顆粒，左圖有些模糊，光闌（Aperture）選擇了7（對應 120 μm），在高倍時過大。選擇1（對應 30 μm），圖像清晰度和銳度大為改善。

 

圖10 碳上白金顆粒的圖像

 

3.4 探測器等參數不合適

場發射掃描電鏡中往往安裝多個探測器，特點鮮明。對一個不干凈的拋光金屬，左圖難以看到各晶粒的取向和晶界，反而能看到一些污染物。該電鏡的SE2探測器會接收一些二次電子，反映了較多表面信息。右圖使用了背散射探測器BSD，晶粒的取向和晶界清晰可見。

 

圖11 石墨烯上白金顆粒的圖像

 

3.5 亮度對比度調節不合適

對于石墨烯上的白金顆粒，左圖整體上細節不突出，銳度也不佳，一些小金屬顆粒也難以看到。顯示更多設置信息，并找到了原因：左圖的亮度值太高而對比度值又太低。調低亮度，增加對比度，右圖的圖像質量大為改善。還可以使用后處理，調節左圖的亮度/對比度。

 

圖12 石墨烯上白金顆粒的圖像

 

當然，圖片上不可能給出所有參數信息，有時還需要借助其他方式顯示更多參數，比如ImageJ/Fiji軟件及插件，也可以在電鏡軟件上增加顯示的設置參數。

 

在電鏡圖像中，不同區域間存在的明暗程度的差異，這些差異給我們提供信息，讓我們解讀圖像反映的樣品特征，下一篇專欄文章我們將會了解圖像的襯度。

 

精彩回顧

 

專欄13：掃描電鏡的眼睛-2

專欄12：掃描電鏡的眼睛

專欄11：掃描電鏡高手打怪的必經之路

專欄10：如何拍出更精準的樣品原貌圖？

專欄9：為什么你拍的SEM圖像不清晰？

專欄8：掃描電鏡高手進階之路

專欄7：手把手教你操作掃描電鏡

專欄6：如何拍出高清圖像

專欄5：SEM的信號3

專欄4：SEM的信號2

專欄3：SEM的信號1

專欄2：SEM的工作原理

專欄1：掃描電鏡概述

 

參考文獻

 

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