[发明专利]一种材料表面拓扑结构分级定量分析方法及应用

说明书

本发明属于图像处理及材料表面拓扑结构分析技术领域，公开了一种材料表面拓扑结构分级定量分析方法及应用，通过图像处理技术获取扫描电镜高分辨图像中像素点的灰度值信息，通过分析图像中各个像素点的灰度特征就可以对样品的表面形貌进行多尺度的定量分析及不同尺度下的表面粗糙度分析。在本发明能快速对材料表面形貌结构进行大尺度、微米尺度和纳米尺度的分级定量统计分析，获得复杂表面每个尺度结构特征精确定量的结构信息，实现复杂结构表面的多尺度定量分析，并获得多尺度粗糙度分析结果，减少大尺度结构在常规统计分析方法中对小尺度结构的掩盖作用，从而实现复杂表面的精确定量的多尺度分析。本发明的方法适用范围广、可操作性强。

技术领域

本发明属于图像处理及材料表面拓扑结构分析技术领域，尤其涉及一种材料表面拓扑结构分级定量分析方法及应用。

背景技术

基于现有的表征手段，多尺度复杂表面结构特征的表征描述过于笼统和抽象，如电子扫描显微图像描述性的表征，如微米孔洞，不规则火山口样等，直观但不能定量。而粗糙度分析仪和拓扑形貌分析仪，都能给出定量的结果，但是，这些结果都是复杂表面各个尺度结构的平均值，因此，从结果上看存在大尺度结构如微米尺度结构特征掩盖小尺度如亚微米尺度和纳米尺度特征，这不能真实反映多尺度表面的复杂结构特征，更不能精确定量反映亚微米尺度和纳米尺度的结构特征。

由于缺乏定量的、数字化的、精确的分析方法，使得复杂表面的重复性制备和结构稳定性检测成为一种依赖于经验的工作，而且不同研究之间的结果无法直接进行比较。不仅如此，缺少定量化的复杂表面分析方法，亦使得从简单表面到复杂表面的制备过程中的表面演化规律不为人知，而且依赖于复杂表面结构精确认识的表面结构-功能之间的关系亦完全不可认知，如不同尺度的结构如何组合才能获得最佳表面，这些仍是未知。可见，复杂结构材料表面定量分析方法的缺乏大大制约多尺度复杂结构表面及其相关领域的发展。因此，针对复杂表面拓扑结构，十分必要发展一种可以对多尺度复杂表面每个尺度上的结构特征进行精确定量表征的多尺度表面分析方法，根据每个尺度上的定量化结构特征，才能精确描述和表征多尺度复杂表面。目前，尚无这样的技术。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术无法实现根据每个尺度上的定量化结构特征精确描述和表征多尺度复杂表面。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种材料表面拓扑结构分级定量分析方法及应用。

本发明是这样实现的，使用扫描电子显微镜提供的高质量图像，扫描电镜电子枪发射一束电子，打在样品表面，产生信号，接收器接收信号，并同过处理后，作为视频信号去调制高分辨率显示器的亮度。图像上每一点的亮度与电子束打在样品上那一点的二次电子发射强度相对应，样品上各点的形貌差异导致了二次电子发射强度的不同和图像上亮度的不同。因此，从扫描电镜图像上提取每个像素点的灰度信息，并结合其位置信息，将图像数字化，用该数字化信息对样品的表面拓扑结构进行分级定量统计分析，实现对样品的表面形貌进行剖面分析及不同尺度下的表面粗糙度分析，获得定量结果。

进一步，所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法包括以下步骤：

第一步，利用扫描电子显微镜拍摄所研究材料不同放大倍数的高分辨二次电子图像，这些图像能够充分显示多尺度复杂表面从大尺度到微米尺度和纳米尺度的特征结构；

第二步，通过图像处理技术获取第一步中得到的不同尺度的扫描电镜高分辨图像中像素点的空间位置信息和灰度值信息G(x,y)；逐一对感兴区各个点进行处理得到各个点以像素为单位的空间位置坐标。

第三步，根据像素点的空间位置信息和灰度值信息，结合扫描电子显微镜拍摄时所使用的比例尺将像素单位换算成实际长度单位，获得对被研究材料的表面形貌结构信息的数字化的定量结果，进而进行统计分析，可以获得多尺度表面每个尺度结构特征精确定量的分析和表征；