盧正寬

摘 要：近年來，SEM圖像定量測(cè)定中開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形處理軟件，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮了不可替代的重要作用。本文首先介紹了SEM圖像及計(jì)算機(jī)圖形處理軟件，接著在理論層面上分析了利用計(jì)算機(jī)圖形處理軟件Photoshop定量測(cè)定SEM圖像的步驟，最后以實(shí)際案例闡述其具體應(yīng)用，旨在實(shí)際應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形處理軟件；SEM圖像；定量測(cè)定；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）13-0018-02

材料表面微觀世界研究時(shí)，采用的電子光學(xué)儀器為掃描電鏡，是一種先進(jìn)的、新穎的儀器，具有比較高的分辨率、比較大的景深，能夠連續(xù)的調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，圖像具備立體感。通過掃面電鏡圖片與計(jì)算機(jī)圖形處理軟件Photoshop的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)定量分析圖像。Photoshop具有大眾化的特點(diǎn)，可以編輯、處理、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算各種照片及圖形，操作簡(jiǎn)單，將其應(yīng)用在SEM圖像定量測(cè)定中具有比較強(qiáng)的可行性，可降低測(cè)定的難度，保證測(cè)定工作便捷的開展。

1 SEM圖像及計(jì)算機(jī)圖形處理軟件概述

1.1 SEM圖像

SEM圖像是指掃描電鏡照出來的圖片，掃描電鏡照相時(shí)，照明源為電子束，電子束聚焦非常細(xì)，以光柵狀掃描方式照射到試樣上，產(chǎn)生相關(guān)于試樣性質(zhì)的信息，之后通過相應(yīng)的收集、處理操作，放大試樣的微觀形貌[1]。由于入射電子相互作用于物質(zhì)后，形成的各種信息為其成像信息，受到入射電子自身所具備的波動(dòng)性的影響，再加上球相差、外界震動(dòng)、統(tǒng)計(jì)漲落噪音等相關(guān)因素影響成像時(shí)的圖片質(zhì)量，導(dǎo)致最終的SEM圖像質(zhì)量比較低，影響定量測(cè)定的順利開展。為避免此種影響，需要采取相應(yīng)的軟件處理SEM圖像，提升圖像質(zhì)量，使定量測(cè)定順利完成。

1.2 計(jì)算機(jī)圖形處理軟件

計(jì)算機(jī)圖形處理軟件是指廣泛應(yīng)用于廣告制作、平面設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的軟件，目前比較常用的圖形處理軟件包含光影魔術(shù)手、數(shù)碼伴侶、Photoshop、True Photo、PhotoBrush照片刷子等，這其中，應(yīng)用最廣泛的即為Photoshop。Photoshop由Adobe Systems開發(fā)、發(fā)行，以像素工具構(gòu)成的數(shù)字圖像為該軟件主要處理的軟件，功能涉及圖像、圖形、視頻等多個(gè)方面。

2 計(jì)算機(jī)圖形處理軟件定量測(cè)定SEM圖像的理論步驟

近年來，定量測(cè)定SEM圖像時(shí)，開始應(yīng)用Photoshop軟件，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面為測(cè)定細(xì)小相面積分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)，另一方面為測(cè)定夾雜物顆粒的尺寸，測(cè)定不同方面時(shí)，Photoshop軟件具體的測(cè)定步驟不同，下面逐一對(duì)其作出闡述。

2.1 細(xì)小相面積分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)測(cè)定

由德萊賽定律可知，當(dāng)某一組元存在于組織中時(shí)，在隨機(jī)截面上，該組元于斷面上測(cè)定的面積分?jǐn)?shù)（AA）相同于其體積分?jǐn)?shù)（VV），即AA=VV[2]。一幅圖片中，研究對(duì)象斷面統(tǒng)計(jì)面積分?jǐn)?shù)如果能夠測(cè)定出來，那么其體積百分比就可以計(jì)算出來。具體測(cè)定過程中，步驟共包含4個(gè)：（1）在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)電鏡高倍圖片，打開Photoshop軟件，讀取圖片文件，確定閾值為首先需要進(jìn)行的工作，為將確定過程中產(chǎn)生的視覺誤差盡量減小，應(yīng)處理研究圖片，增大研究圖片與基體間的反差，提升閾值確定的準(zhǔn)確性，此外，還需備份研究圖片，便于確定閾值；（2）研究圖片與備份圖片均在Photoshop主界面中打開；（3）選擇“圖像”-“調(diào)節(jié)”命令，接著選擇“閾值”，閾值調(diào)節(jié)對(duì)話框彈出后，滑塊用鼠標(biāo)拖動(dòng)，對(duì)圖片亮顆粒做出調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的恰好相當(dāng)于原圖尺寸后，將灰度值讀取出來；（4）選擇“圖像”-“直方圖”命令，直方圖對(duì)話框彈出后，在選取閾值的位置處用鼠標(biāo)拖動(dòng)，達(dá)到255后，研究對(duì)象面積分?jǐn)?shù)獲得[3]。

2.2 夾雜物顆粒尺寸測(cè)定

描述夾雜物顆粒尺寸時(shí)，可采用等面積圓直徑，而其尺寸的測(cè)定可以采用Photoshop軟件。如果試樣選取的視場(chǎng)足夠多，能夠測(cè)定出顆粒等面積圓直徑的統(tǒng)計(jì)分布。首先，照相時(shí)選取適當(dāng)?shù)姆糯蟊堵?，將電鏡圖片文件獲得，同時(shí)，在此放大倍率下，電鏡圖片實(shí)際長(zhǎng)度（L1）、實(shí)際寬度（L2）準(zhǔn)確記錄，實(shí)際寬度與實(shí)際長(zhǎng)度的乘積即為實(shí)際面積（S）；其次，圖片文件利用Photoshop軟件打開，經(jīng)處理后，增大夾雜物與基體間的反差，降低分辨的難度；再次，整個(gè)圖片全選，選擇“圖像”-“直方圖”命令，直方圖對(duì)話框彈出后，整個(gè)圖片文件的總像素（T1）即可獲得；最后，夾雜物用魔棒工具選取，再次彈出直方圖對(duì)話框，將夾雜物像素（T2）確定，之后用T1/T2，再乘以實(shí)際面積（S），得到夾雜物顆粒的實(shí)際斷面面積（A），并可依據(jù)計(jì)算出等面積圓直徑（d）。

3 計(jì)算機(jī)圖形處理軟件定量測(cè)量SEM圖像的實(shí)際應(yīng)用案例

3.1 K23合金σ相面積分?jǐn)?shù)測(cè)定

K23合金屬于鎳（Ni）-鉻（Cr）-鈷（Co）基鑄造高溫合金，強(qiáng)化物質(zhì)為鉬（Mo）、鋁（Al）、鈦（Ti）。空心導(dǎo)向冷卻葉片工作時(shí)，溫度高達(dá)750℃，制造此種葉片時(shí)，即可采用K23合金。合金鑄態(tài)組織組成部分包含三個(gè)，分別為γ基體、γ、MC相，高溫時(shí)效長(zhǎng)期維持后，會(huì)析出σ相，σ相形狀為針狀或顆粒狀，比較細(xì)小。利用掃描電鏡照相后，得到試樣的電鏡圖片，定量測(cè)定圖片的σ相時(shí)，即可采用Photoshop軟件。

本文在實(shí)際測(cè)定K23合金σ相面積分?jǐn)?shù)時(shí)，共選擇2個(gè)試樣，試樣A具有較高的Cr含量，試樣B則具有較低的Cr含量。高溫時(shí)效的條件設(shè)置為850℃、100h，試樣經(jīng)過處理后，析出大量的σ相。分別利用50倍及1000倍的掃描電鏡照實(shí)驗(yàn)的組織，觀察照片發(fā)現(xiàn)，無論是試樣A還是試樣B，析出的σ相均呈灰白色針狀或顆粒狀。測(cè)量時(shí)，為使結(jié)果存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，需要在多個(gè)視場(chǎng)中進(jìn)行，因此，從試樣邊緣開始，向著心部，間隔1mm取1個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)處選取的視場(chǎng)為3個(gè)。試樣A與試樣B選取的點(diǎn)均為5個(gè)，視場(chǎng)共15個(gè)。定量測(cè)定σ相面積分?jǐn)?shù)時(shí)，采用Photoshop軟件根據(jù)上面敘述的步驟進(jìn)行，結(jié)果顯示，在試樣A的5個(gè)點(diǎn)中，A1點(diǎn)3個(gè)視場(chǎng)的σ相面積分?jǐn)?shù)分別為25.17%、28.04%、35.04%，A2點(diǎn)3個(gè)視場(chǎng)的σ相面積分?jǐn)?shù)分別為27.19%、24.36%、31.18%，A3點(diǎn)3個(gè)視場(chǎng)的σ相面積分?jǐn)?shù)分別為30.25%、22.04%、34.18%，A4點(diǎn)3個(gè)視場(chǎng)的σ相面積分?jǐn)?shù)分別為29.06%、22.37%、32.06%，A5點(diǎn)3個(gè)視場(chǎng)的σ相面積分別為22.16%、19.08%、32.09%，試樣A的σ相面積分?jǐn)?shù)平均值27.69%；在試樣B的5個(gè)點(diǎn)中，B1點(diǎn)3個(gè)視場(chǎng)的σ相面積分?jǐn)?shù)分別為12.08%、10.14%、18.29%，B2點(diǎn)3個(gè)視場(chǎng)的σ相面積分?jǐn)?shù)分別為12.06%、6.08%、11.18%，B3點(diǎn)3個(gè)視場(chǎng)的σ相面積分?jǐn)?shù)分別為15.09%、6.05%、23.35%，B4點(diǎn)3個(gè)視場(chǎng)的σ相面積分?jǐn)?shù)分別為11.16%、5.29%、27.19%，B5點(diǎn)3個(gè)視場(chǎng)的σ相面積分?jǐn)?shù)分別為14.68%、6.77%、31.29%，試樣B的σ相面積分?jǐn)?shù)平均值為14.35%。

為驗(yàn)證Pohtoshop定量測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確與否，本文還利用IBAS圖像分析儀測(cè)定了試樣A 5個(gè)點(diǎn)的2號(hào)視場(chǎng)、試樣B 5個(gè)點(diǎn)的1號(hào)視場(chǎng)的σ相面積分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表1所示。由表1結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種不同方法的檢測(cè)結(jié)果間無明顯差異，比較接近。

3.2 M8鋼乒乓球樣夾雜物顆粒尺寸測(cè)定

測(cè)定M8鋼乒乓球樣夾雜物顆粒尺寸時(shí)，同樣需要利用掃描電鏡圖片及Pohtoshop軟件，對(duì)于夾雜物顆粒尺寸的測(cè)定方法，上文已經(jīng)敘述過，在此不做贅述。M8鋼乒乓球試樣中的夾雜物顆粒共7個(gè)，分別編號(hào)為1～7號(hào)，在一定的放大倍率下，測(cè)定出電鏡譜圖片的實(shí)際面積，并利用Pohtoshop軟件的測(cè)定出夾雜物的實(shí)際斷面面積及等面積圓直徑，另外，在測(cè)定等面積圓直徑時(shí)，本文還采用了蔡司顯微鏡的圖像分析軟件，對(duì)比兩種方法的測(cè)定結(jié)果，結(jié)果顯示，Pohtoshop測(cè)定結(jié)果與圖像分析軟件測(cè)定結(jié)果基本相同，具體見表2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以K23合金的σ相、M8鋼乒乓球的夾雜物顆粒尺寸為實(shí)際應(yīng)用案例，分析計(jì)算機(jī)圖形處理軟件Photoshop定量測(cè)定其SEM圖像的可行性，通過與其他分析處理軟件的測(cè)定結(jié)果相比剛發(fā)現(xiàn)，在Photoshop軟件的強(qiáng)大功能下，能夠較為準(zhǔn)確的處理SEM圖像，同時(shí)，可以定量測(cè)定感興趣的組織或夾雜物顆粒，使其面積分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、顆粒尺寸等更容易獲取。SEM圖像定量測(cè)定中，應(yīng)用Photoshop軟件測(cè)定精度一定，且具備快速、簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，可以作為一種測(cè)定方法應(yīng)用于實(shí)際中。

參考文獻(xiàn)

[1]嚴(yán)順威.淺談?dòng)?jì)算機(jī)圖形圖像處理軟件在平面廣告設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].藝術(shù)科技，2015（12）：193.

[2]黃鳳.計(jì)算機(jī)圖像圖形處理的點(diǎn)位預(yù)測(cè)與噪點(diǎn)分析[J].長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2014（04）：329-330.

[3]彭瑞東，翁煒，左建平，等.數(shù)字散斑相關(guān)法在SEM觀測(cè)巖石變形時(shí)的應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（04）：650-656.