3.11 图像的信噪比和灰度
在SEM中试样表面凹凸不平的微观起伏呈现到显示屏上的二次电子图像中表现为明暗反差的不同，这是试样表面各点发射的二次电子信号的强弱差异所致的。二次电子发射产生变化的原因是入射电子束与各微区之间的倾斜角的不同。当在小光栏和小束斑下，而放大倍率又很高时，就很难获得足够的反差信号，图像上就会出现较多的麻点、噪声，影响图像的信噪比。扫描电镜图像的这种反差的减弱和噪声的混入会造成图像质量下降。扫描电镜信号变弱往往是因为在高放大倍率下，为了得到高分辨力的图像而把电子束斑缩得太小或选用的物镜光栏孔径太小，这样在没有足够大的束流密度支持时，就会导致图像的信噪比明显下降。
入射的电子束流中本身就含有来自阴极电子源的发射噪声，也就是所发射的电子数量具有统计涨落方面的波动，而且入射电子束激发出试样中的二次电子后，二次电子受到栅网上正电位的吸引而打到闪烁体上，使闪烁体发光。产生光电转换和在光电倍增管中进行倍增放大等一连串的传输、运行过程也都是导致统计噪声增大的主要来源。它决定了所显示图像的信噪比，还有放大电路中的各种电子元器件自身也会带来热噪声。图3.11.1和图3.11.2分别为信号传输系统和显示屏上换算一个图像单元的电子数，表示了入射电子到光电倍增管输入端的行程，其中产生二次电子的转换信号是整个信号传输链中量子数最少的一段，因而该段的信噪比也是最低的，这一段被称为噪声瓶颈，即信号水平最低之处为试样发出的二次电子到闪烁体这一段。这种非连接性的统计噪声对实际图像的影响最大，只要该点的信噪比能满足成像的要求，则其他点也就基本没有问题。
图3.11.1 信号传输系统示意图
图3.11.2 显示屏上换算一个图像单元的电子数
另外，显示屏图像上所需要的衬度是依据观察用，还是拍摄图像用或者根据允许的信噪比程度来决定的。从经验上来看，人的眼睛能识别的限度是∆S大于5∆n。此处的∆S/S为图像信号变化的衬度，∆n为噪声的变化量；另一方面，如果图像上显示的灰度级数为G，那么∆S≥（S/G）>5∆n。为了能得到优质的图像，必须使G尽可能大，最好能在16～20范围内。但在拍摄扫描电镜的高分辨力图像时，由于会选用小束斑、小孔径的光栏，这样探针的束流就会比较小，从而致使二次电子的数量明显减少，结果G只能在7～9范围内，这样∆S就会增大，分辨力会降低。总之，图像上出现噪声从原理上来讲是客观存在的，也是不得已的。另外，为了能增强图像的衬度，提高图像的反差，图像信号中的直流成分可以尽量压低，但是这也很难从本质上改善信噪比，含有噪声的信号和衬度如图3.11.3所示。
图3.11.3 含有噪声的信号和衬度
要改善信噪比可从以下三种途径去考虑。
（1）增加从试样上发出的信号量，要增加信号量可以尽量采用高亮度的电子枪、提高加速电压、增大光栏孔径、提高E-T SED上的栅偏压、试样朝E-T SED倾斜或者在试样表面蒸镀一层二次电子产额高的金属膜等方法，即尽量改善和提高图3.11.2中的“1”和“2”这一段的信噪比。
（2）降低电子线路的杂散信号，除了电子线路中元器件的热噪声要尽量小，光电倍增管的放大倍增过程也是电子噪声的第二大主要来源，如图3.11.2中所示的“5”。光电倍增管的电压在加大的同时，电子噪声也会随试样的信号一起被放大。倍增管的电压过高或扫描速度过快也都会产生明显的噪声，所以选配一个灵敏度高、暗电流小、噪声低的光电倍增管对提高图像信噪比来说也是非常重要的一步。
（3）通过减慢扫描速度，延长采集信号的扫描时间，让电子束在每个扫描激发点上的驻留时间适当延长，这样也就会增加每一个扫描激发点的信息量，提高每个扫描激发点的信噪比，从而降低整幅图像的噪声。在采集图像时人们往往会采用慢扫描就是这个道理。但采集照片的时间也不能太长，若时间太长或每幅照片选择的行数过多，这样电子线路的工作点有可能会产生漂移，试样也有可能因电子束的不断注入，影响到试样表面电位的稳定而发生漂移，最终可能就会造成扫描的点或线重复、交叠，这样反而会影响到整幅图像的清晰度和分辨力。
屏幕中图像的灰度等级是由输入信号决定的，从屏幕中我们能看到的由黑到白的衬度变化被称为灰度级数的变化。一般正常人眼能分辨和觉察的由最黑（暗）到最白（亮）之间的灰度级数通常可达20级，个别人眼的灰度级数的分辨力可达24级。灰度等级是指在看黑白图像时，图像中由最黑到最白之间能够分清的层次等级，图像从黑到白的灰度层次越多，图像中的细节就会显得越丰富。
黑白电视机的灰度等级一般划分为10级，无线接收的黑白电视机在10级制中至少要能分清7个灰度等级，若能达到8级那就算比较令人满意，若能达到9级那就很令人满意了，而有线接收的黑白电视机要达到10级就比较容易，所得的画面也就会令人满意。电视机画面的灰度等级可以根据电视台播出的测试图中的灰度测试卡来进行测试。在电视台播出的测试图形如图3.11.4所示，这种图形适用于YZ868E-PAL/NTSC/SECAM制式的半彩条+10条黑白的灰度条带测试。其黑白灰度等级是在该图的下半部，从左到右有10条由黑到白层次不同的灰度竖条带，这个测试条带按电信号幅度的不同分为10级；而彩色电视的彩条是在测试图的上半部，它含有8种不同颜色层次的彩条带，从左到右为白、黄、青、绿、粉红、大红、蓝和黑。电视图像可以区分的中间颜色层次越多，图像的中间色调和层次也就会越多，图像就会越鲜艳，色调的过渡就会越柔和、越逼真。
扫描电镜图像的黑白层次与黑白电视机的定义基本相同。但在具体操作时电镜图像的亮度和衬度与操作人员的调节也有一定的关系，在检查灰度等级时，也可以检查电镜的亮度和衬度的范围。多数型号的扫描电镜会自带一幅灰度测试图，有些钨阴极电镜的视频灰度测试图从左到右由黑到白分成10级；蔡司场发射电镜的视频灰度测试图由黑到白分成20级；FEI场发射电镜的视频灰度测试图由黑到白分成16级，如图3.11.5所示。在平时的操作中，为了能得到一幅反差合适、层次丰富的优质图片，应先把扫描电镜屏幕的亮度和衬度调至该测试卡所显示的灰度层次都能清晰可见，然后就可以把屏幕的亮度和衬度的对应数值固定下来。在平时的使用中，当在采集电镜图像时，要改变图像的亮度和衬度，只能调动电镜成像时的相应滑块或旋钮来分别改变当前的亮度和衬度，图像亮度和衬度的调节要相互配合、反复调整，这样才能得到既清晰又多层次的图像。电镜图像的灰度等级若与电视屏幕图像相比，在10级制中即使达不到10级，也不能低于8级，在16级制中不能低于13级。这样所采集到的图像细节才能清晰、层次才能丰富，图像的亮度和反差才能适中。
图3.11.4 电视台测试图形
图3.11.5 场发射电镜16级黑白灰度高清测试卡
为了对所采集的照片都能有一致的衡量，以减少由于人眼的敏感度不同而对所采集的图像衬度产生差异，多数SEM会带有一幅视频波形发生器。操作者可借助所产生的波形曲线和幅度来调控所要采集的图像衬度。灰度测试卡是用于前期设置屏幕衬度的参照图，而视频波形则是用来作为实时调整图像衬度的参考曲线。把视频波形幅度的变化调在一个合适的范围，可为不同的记录媒体设置一个比较一致的图像衬度。波形就是被扫描线扫过时的图像像素值，示波器的波形是扫描线的一种图解表示法。调节图像衬度旋钮或滑块的数值就可以改变波形的幅度大小，即改变图像的黑白对比度；调节亮度旋钮或滑块的数值就可以改变整幅图像的亮暗程度。在视频示波器中有上下两条平行虚线对应着黑白电平的相应阈值，若视频波形高于上虚线或低于下虚线，则该对应部位的信号就会超出人眼视力的识别范围，即超越上虚线那一部分对应的部位就会太亮，而低于下虚线那一部分对应的部位就会太暗。太亮和太暗部位中的细节人眼都难以识别出来，若图像中的某些部位太亮或太暗，均称为过饱和。为了使图像能有合适的衬度，也让所采集到的图像能提供更多的层次和细节，采集照片时，最好应使屏幕中视频波形曲线的起伏变化幅度绝大部分都处在上下两条虚线之间，波峰与波谷都能分别接近上下两条虚线，而尽量不要超越上下两条虚线，如图3.11.6中的箭头所示。若波形曲线的变化幅度小，即整个波形曲线的变化幅度收窄，都比较趋近于中间部位，这样所采集到的图像反差会偏小，图像会显得平淡、立体感不强；反之，若波形曲线的变化幅度太大，有些部分超越或被上下两条平行虚线所“削平”，则所采集到的图像反差会偏大，会使图片显得生硬，“削平”部位所对应的地方会看不清细节。图3.11.7是在正常的反差下采集到的30万倍的照片，图中的微细颗粒清晰可见。有时候在采集BSE的图像中需要有更大的对比度时，那也只能使图像的视频波形幅度稍微超越上下两条虚线范围，以得到较强的反差效果；反之，若适当减小两虚线间波形的幅度就可以降低画面的对比度，这样图像的对比度就会显得柔和些。
图3.11.6 视频波形幅度在上下两虚线间变化
图3.11.7 正常的反差下采集到的30万倍的照片
在扫描电镜中，调节亮度实际上是调节前置放大器输入信号的电平来改变图像的亮度，调节好图像的亮度和对比度是获得一幅优质照片的重要前提条件。如果试样表面较平滑，则应加大反差；如果试样表面的凹凸起伏变化较大，明暗对比分明，则应适当降低反差，以达到明暗对比合适的目的，使亮、暗区的细节也都能清晰可见；如果试样表面凹陷明显，亮、暗对比悬殊较大，若仅降低衬度，则图像有时会显得灰蒙，这种情况最好启用γ放大。