3.24　图像处理功能

扫描电镜之所以具有多种成像功能，部分原因是信号处理技术对图像的某些性能的改进及提高有明显的效果。对扫描电镜来说常见的图像信号处理技术有微分、积分、非线性放大、伪彩色和Y调制等。接下来本节将简单地介绍一下微分、积分和非线性放大等基本概念。伪彩色常用于观察3D的合成立体视图。Y调制有时是用于提高图像的反差和增强图像的立体感，其使用的概率不是很高，并且带有Y调制成像功能的扫描电镜也比较少。

1. 图像的微分

1963年，兰德（Lander）等人首先在扫描电镜中引入了这种能增强局部细节的微分信号处理方法。把图像进行微分处理的目的就是要“突出图像中突变部位的变化量、压低恒定量”，图3.24.1是一幅微分电路及其输入、输出波形最简单的示意图，而实际的微分处理应用电路是非常复杂的。从图3.24.1中可见，当时，；，当时，；当趋向于∞，时，；（假设），τ=RC。同理当时幅度下降为零，，当时、时。

讨论：

若图3.24.1中的时间常数RC比较大，则“突出图像中突变部位的变化量、压低恒定量”的特征就会减弱；若时间常数RC更大些，则输出波形的形状将与输入波形的形状基本一致，即微分电容C就会变成所谓的“隔直电容”，如图3.24.2所示。所以说，起图像微分作用的微分电路中的RC数值应该很小。这种RC电路实际上是一个波形变换电路，即把矩形波变换成具有一定宽度的尖脉冲波。图3.24.3是微分之前的信号波形，该波形经微分之后就如图3.24.4所示。

图3.24.5是未经过微分处理的IC钝化层开裂形貌像，图中的集成电路芯片表面的钝化层开裂，下塌处显得比较光滑、平淡，而经过微分处理后，在同一图像中，钝化层开裂下榻处的裂纹边界就显得比较锋利，在裂缝处和钝化层表面附着的小颗粒也更突出，更富有立体感，如图3.24.6中所示。

正常的微分变换最明显的一点是突出了图像中的高频分量，抑制或压低了过宽的低频分量，又能展现试样形貌的突变细节，这些优点在图像处理技术中都是十分可取的。不足的是图像中的电子热噪声和统计噪声也都难免存在高频分量，在启用微分处理功能时其中的高频分量也会被同时放大并凸显出来。所以微分处理只能在放大倍率不太高，图像的信噪比比较好的情况下进行处理，这样所展现出来的效果才会好。经微分处理过的视频信号，虽然存有上述的缺点，但通过具体的电子线路设计可加以补偿。微分处理技术能有效地提高图像的高频分量，压缩过宽的低频信号分量，又能在形貌上展现较多的细节差异，这些优点在图像信号处理技术中都是很难得的。

2. 积分电路

图3.24.7是一幅最简单的积分电路示意图，而实际的积分电路也是非常复杂的。若把微分电路中两个阻容的位置对调，则变成一个积分电路，该电路的特点是时间常数很大，RC远大于t，C上的电压变化很慢，输入信号大部分降在电阻R上。因此，该回路电流可以近似地看作由电阻R来决定：

电容的端电压为，即输出电压是输入电压对时间的积分，所以该电路被称为积分电路。积分电路只有当时间常数RC比输入脉冲宽度大很多时，才能呈现出积分作用，当输入是一个幅度恒定的方波时，输出便是接近线性上升的锯齿波。

如果RC不够大，在输入脉冲的作用期间，电容来得及充电，电容端电压Uout会呈指数曲线上升，因此输出波形到达稳态值的过程比输入延迟了一段时间。这个现象就是所谓的“积分延时”。这种功能在电镜的图像采集中可用做几幅图像的帧积分，帧积分之后的图像可以降噪，改善信噪比，提高清晰度。但前提是图像要稳定，试样的导电性要好，漂移量要非常非常的小，即基本上只能是在放大倍率不太高时，帧积分的效果才会比较理想，否则几幅图像连续积分之后的图像信噪比粗看起来好像能得到改善，但细看时会发现图像的细节和边角反而会变得模糊。现在，用来做这种多幅图像的帧积分一般都通过计算机的软件来执行，这样用起来更方便。

3. 非线性放大

在实际的分析过程中，有时候会碰到某些试样在同一视场内由凸起的尖峰和深浅不一的孔洞、缝隙等组成凹凸很悬殊的形貌，这样在图像上对应凸起部位的信号会显得很亮，反之对应凹陷部位的信号会显得很暗，即处在明亮部位的表面信息量会被强信号所处位置的亮度所掩盖而减少，有时甚至分辨不出其白亮部位中的细节；而处在凹陷深处的表面信息会由于局部图像太暗，致使该处的细节被减弱，变得灰暗，甚至黑暗，导致黑暗处的细节被淹没。这时若只简单地采用降低对比度或提高亮度的方法，则对应图像的画面会显得灰蒙或太过明亮，而且还会影响到正常部位细节的清晰度，某些原有的细节可能也难于得到正常的显现。在这种情况下，可选用非线性的对数放大器，即把输入信号Sin按一个指数关系转换成输出信号Sout，即

式中，γ一般在0.2～5范围内变化，最常用的γ在0.5～3范围内。

若把γ分别设为2和0.5，则的灰度响应曲线如图3.24.8所示。信号经γ变换放大后，能改善图像电平两端的衬度。当γ=2时，，这相当于=2px所描述的对称于X轴的抛物线方程，如图3.24.8中的粗虚线所示。当继续增大时，亮区的信号输出会相对减缓，实现了暗区信号比亮区信号有更高的增益，使图像暗区部位的明亮度增加，而原亮区部位的明亮度增加缓慢，所以图像反差能得到改善。

当γ=0.5时，，这相当于所描述的对称于Y轴的抛物线方程。当继续增大时，亮区的信号以二次方的关系得到明显增强，而原暗区部位的亮度增加缓慢，如图3.24.8中的细虚线所示。这种输出模式易引起亮区幅度出现饱和，因此在实际的图像处理中，这种非线性γ被放大，选用γ大于1的机会较多，而选用γ小于1的机会较少。γ大于1的主要作用是提升试样中的凹陷部位或某些超轻元素部位的细节亮度，使暗区信号的增益更明显，使试样中的凹陷或孔洞内部的视场亮度能得到明显提升，图3.24.9中γ=2，其孔洞底部就比图3.24.10显得更亮一些，底部的细节也能看得比较清晰。

γ=1时线性放大，黑、白电平的放大量处处呈线性，如图3.24.11所示。γ=2时非线性放大，暗区（黑电平）的放大量大于白电平，如图3.24.12所示。γ=0.5时非线性放大，亮区（白电平）的放大量大于黑电平，如图3.24.13所示。

这种非线性γ放大器是英国的史密斯（K. C. A. Smith）于1956年最先采用的。以前这种非线性γ放大器是通过改变电子线路的硬件来实现的，而现在用来做这种非线性γ放大图像几乎都由计算机的软件来执行，即用鼠标的光标来单击并拖动γ=1时那条线性放大对角线的中下部，往左上角拉γ就能大于1，使暗区信号比亮区信号有更高的增益，单击拉动的点越多，这条γ放大曲线就会越平滑，该曲线就会越接近于对称X轴的抛物线；反之，往右下角拉γ就会小于1，就能使亮区的信号比暗区的信号有更高的增益，同样单击拉动的点越多，这条γ放大曲线也就会越平滑，该曲线就会越接近对称Y轴的抛物线，这样的调节，使用起来就显得很方便。