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(jié)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(shù)是否合適，以幫助讀者加深對掃描電鏡及圖像的認(rèn)識和理解，也指導(dǎo)我們在拍攝時調(diào)節(jié)參數(shù)。

 

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(fā)現(xiàn)圖像屬性的詳細(xì)消息中有很多術(shù)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(shù)量的乘積，乘積算出的值就是像素數(shù)，即1280×960≈123萬（像素）。而“水平分辨率”和“垂直分辨率”，數(shù)值是256 dpi ，它們是在對應(yīng)方向上一英寸上的像素數(shù)量，即像素密度（像素/英寸），其數(shù)值越高表示圖像的解析度越高。

 

需要注意的是，這些有關(guān)圖像的術(shù)語都不是我們通常談及的“電鏡的分辨率”，那是指分辨細(xì)節(jié)的能力。像素乘積的“分辨率”術(shù)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(qū)分。

 

圖1 圖像的尺寸和像素

 

我們可以在采集圖像前按需設(shè)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(xì)節(jié)、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(qiáng)度，以及導(dǎo)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(biāo)尺和電鏡參數(shù)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(yīng)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(qiáng)度要一一對應(yīng)，這首先需要對灰度值進(jìn)行量化。對于黑白圖像，如果從弱到強(qiáng)分了256個灰度值（色階），設(shè)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(yīng)的灰度值。

 

計算機(jī)使用二進(jìn)制，十進(jìn)制的256即28，對應(yīng)二進(jìn)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(shè)置較大的位深度。

 

1.2 放大倍數(shù)和標(biāo)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(shù)。放大倍數(shù)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(shù)越大，細(xì)節(jié)被放大的越大，但是有兩個問題需要注意：

 

一是放大倍數(shù)不是越大越好。放大倍數(shù)越大視場就越小。最重要的是，在很高的放大倍數(shù)下，樣品像素急劇變小，加上束斑尺寸和信號作用區(qū)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(yīng)根據(jù)特征的尺寸設(shè)置放大倍數(shù)和像素尺寸。在高分辨成像時，為滿足奈奎斯特采樣定律，應(yīng)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(xì)節(jié)的顯示不受顯示的像素大小的限制。

 

二是放大倍數(shù)的定義存在差異：一種常用定義把像寬L設(shè)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?qū)汒悂恚≒olaroid）放大；另一種定義把L設(shè)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(shù)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(shù)值較大。

 

另外，對原圖像的顯示和處理會導(dǎo)致放大倍數(shù)變化，比如對圖像進(jìn)行分割或放大。就如地圖要標(biāo)識比例尺一樣，電鏡照片中也要有標(biāo)尺（Scale bar或者M(jìn)ini marker），如圖1b所示，標(biāo)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(yīng)以標(biāo)尺為參照，而不是單純通過放大倍數(shù)進(jìn)行比較。如圖2使用Nano Measurer測量顆粒尺寸，軟件需要預(yù)先設(shè)置標(biāo)尺，而不是給出放大倍數(shù)。

 

圖2 依據(jù)標(biāo)尺測量顆粒尺寸

 

1.3 圖片中的參數(shù)信息

 

除了放大倍數(shù)和標(biāo)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(guān)鍵信息。

 

圖3 圖片上的重要參數(shù)

 

知道這些信息，除了可以讓我們后續(xù)可以復(fù)現(xiàn)和對比實驗外，還能判斷圖片拍攝者參數(shù)設(shè)置是否合理，圖片質(zhì)量跟參數(shù)有無關(guān)聯(lián)等，見本欄第三節(jié)內(nèi)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(shù)據(jù)外還能查看很多參數(shù)，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(xiàn)的參數(shù)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(dǎo)致部分區(qū)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(jìn)行調(diào)節(jié)。以圖5錫球圖像的灰度/對比度調(diào)節(jié)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(biāo)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(jìn)行灰度/對比度調(diào)節(jié)使得圖像更清晰，特征更明顯。

 

圖5 圖像的亮度/對比度調(diào)節(jié)原理

 

圖5a的圖像灰暗且特征不清晰，因為曲線整體的強(qiáng)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(diào)節(jié)：通過增加信號的直流分量來提高曲線整體的強(qiáng)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(diào)節(jié)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(nèi)，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(tài)范圍，出現(xiàn)過曝或欠曝的區(qū)域，丟失其中的細(xì)節(jié)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(shè)置在50%左右，根據(jù)信號強(qiáng)度調(diào)節(jié)對比度，則較易達(dá)到滿意的效果。對于亮度/對比度的調(diào)節(jié)，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(qū)域；若試樣本身產(chǎn)生強(qiáng)烈的明暗對比，則可以降低對比度。需要說明的是，對圖像質(zhì)量的判斷有很大的主觀，對比度/亮度調(diào)節(jié)可在反應(yīng)客觀的前提下按個人喜好或者目的進(jìn)行。

 

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

 

3 由圖片信息判斷參數(shù)是否合適

 

許多時候需要比對圖片或者復(fù)現(xiàn)或改進(jìn)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(shù)是否合適，需要在那些方面進(jìn)行改進(jìn)。

 

下邊舉幾個例子，并假設(shè)左側(cè)的圖片參數(shù)設(shè)置有問題，通過更改設(shè)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(shè)置參數(shù)對圖像質(zhì)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(shè)置參數(shù)（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(jī)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(fā)生了變形，而且表面細(xì)節(jié)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(jié)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(dǎo)致荷電。左圖荷電效應(yīng)明顯，通過嘗試改變加速電壓，使得荷電效應(yīng)減弱。

 

圖8 硅片上有機(jī)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(shè)置參數(shù)（專欄6），在高倍時往往需要降低工作距離。左圖圖像質(zhì)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(tuán)聚）的圖像

 

3.3 束流等參數(shù)不合適

束流對圖像質(zhì)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(yīng) 120 μm），在高倍時過大。選擇1（對應(yīng) 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(shù)不合適

場發(fā)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(diào)節(jié)不合適

對于石墨烯上的白金顆粒，左圖整體上細(xì)節(jié)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(shè)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(diào)低亮度，增加對比度，右圖的圖像質(zhì)量大為改善。還可以使用后處理，調(diào)節(jié)左圖的亮度/對比度。

 

圖12 石墨烯上白金顆粒的圖像

 

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

 

在電鏡圖像中，不同區(qū)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(jīng)之路

專欄10：如何拍出更精準(zhǔn)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(jìn)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(xiàn)

 

(1) 施明哲. 掃描電鏡和能譜儀的原理與實用分析技術(shù)[M]. 電子工業(yè)出版社, 2015.

(2) 張大同. 掃描電鏡與能譜儀分析技術(shù)[M]. 華南理工大學(xué)出版社, 2009.

(3) 高尚，楊振英，馬清，等. 掃描電鏡與顯微分析的原理、技術(shù)及進(jìn)展[M]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社，2021.

(4) Reimer L. Scanning Electron Microscopy — Physics of Image Formation and Microanalysis, 2nd [M]. Springer, 1998.

(5) Goldstein J, Newbury, D E, et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 3rd[M]. Springer, 2003.

(6) Goldstein J, Newbury, D E, et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 4th[M]. Springer, 2018.

(7) Ul-Hamid, A. A beginners' guide to scanning electron microscopy[M]. Springer, 2018.

(8) Suga M, Asahina S, Sakuda Y, et al. Recent progress in scanning electron microscopy for the characterization of fine structural details of nano materials[J]. Progress in Solid State Chemistry, 2014, 42(1): 1-21.

(9) Xing Q. Information or resolution: Which is required from an SEM to study bulk inorganic materials?[J]. Scanning, 2016, 38(6): 864-879.

(10) Liu Zheng, Fujita Nobuhisa, Miyasaka Keiichi,et al. A review of fine structures of nanoporous materials as evidenced by microscopic methods[J]. Microscopy, 2013(1):109-146

 

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