阅读说明：本技术 一种材料表面拓扑结构分级定量分析方法及应用 (Hierarchical quantitative analysis method for material surface topological structure and application ) 是由 李晓东 罗巧洁 劳炜玮 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：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。(The invention belongs to the technical field of image processing and material surface topological structure analysis, and discloses a hierarchical quantitative analysis method and application of a material surface topological structure. According to the invention, the large-scale, micron-scale and nano-scale hierarchical quantitative statistical analysis can be rapidly carried out on the material surface morphology structure, the accurate and quantitative structural information of each scale structural feature of the complex surface is obtained, the multi-scale quantitative analysis of the complex structure surface is realized, the multi-scale roughness analysis result is obtained, the covering effect of the large-scale structure on the small-scale structure in the conventional statistical analysis method is reduced, and the accurate and quantitative multi-scale analysis of the complex surface is realized. The method has wide application range and strong operability.)

一种材料表面拓扑结构分级定量分析方法及应用

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；

第四步，利用扫描电子显微镜拍摄所研究材料不同放大倍数的二次电子图像，实现对复杂结构材料表面进行不同尺度结构特征的分级定量分析；可以获得复杂表面在不同尺度上的粗糙度，实现复杂表面的多尺度粗糙度分析。

进一步，所述第二步(x,y)是指扫描电子显微镜图像中所分析的像素点的横纵坐标，G(x,y)是指该位置像素点在扫描电子显微镜图像中的灰度值，即各个像素点的高度，得到各个点的空间位置。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：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；通过从扫描电镜图像上提取灰度信息数字化，并对信息进行统计分析，获得定量化统计结果。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：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；通过从扫描电镜图像上提取灰度信息数字化，并对信息进行统计分析，获得定量化统计结果。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法的材料表面拓扑结构分级定量分析系统，所述材料表面拓扑结构分级定量分析系统包括：

灰度值信息处理模块，用于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；

表面粗糙度分析模块，用于通过分析图像中各个像素点的灰度特征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；

定量化统计结果获得模块，用于通过从扫描电镜图像上提取灰度信息数字化，并对信息进行统计分析，获得定量化统计结果。

本发明的另一目的在于提供一种所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法在大规模生产时多尺度复杂结构材料表面结构质量控制中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法在大规模生产时多尺度复杂结构材料表面结构质量控制中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法在材料表面从简单结构到多尺度复杂结构的演化规律测定中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法在材料表面构效关系检测中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端搭载所述的材料表面拓扑结构分级定量分析系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明将扫描电子显微镜提供的定性的图像信息定量化。通过分析图像中各个像素点的灰度特征就可以对多尺度复杂结构表面进行每个尺度形貌特征的分级分析，实现对样品的表面形貌不同尺度结构特征的定量分析及不同尺度下的表面粗糙度分析，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。

本发明适用范围广、可操作性强，可以推广到各种材料表面结构信息的定量化分析中，同时可用材料表面从简单结构到多尺度复杂结构的演化规律研究，也可以应用于普通扫描电子显微镜高分辨图像分析中，为多尺度微纳加工技术提供定量的观察、验证手段，为批量生产多尺度微纳结构表面提供定量的质检方法，同时也为多尺度复杂结构表面的构效关系研究奠定基础。而且，在显微结构研究尤其是在定量化分析方面拓展电子扫描显微镜的功能。扫描电子显微镜原理上是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。图像上这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，样品表面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。扫描电子显微镜可以提供高质量的图像，被认为是最佳的表面记录工具，然而，通常这个工具通常只用于表面特征的定性描述。

实际上，结合扫描电镜图像中像素点的位置信息和扫描电镜图像上提取灰度信息，对每个像素点赋值，将整个表面图像数字化，然后进行统计分析可以实现对任意表面拓扑结构特征定量化表征。结合多尺度复杂表面的结构特征，利用不同放大倍数的扫描电镜图像，可以把每个尺度的特征结构信息定量化抽提出来，从而实现对复杂表面的多尺度定量表征。

本发明提供一种基于扫描电子显微镜图像的材料表面拓扑结构分级定量分析方法，能快速对材料表面形貌结构信息进行统计分析，并对多尺度复杂结构表面进行每个尺度形貌特征的分级定量分析；基于这种方法，可以分析每个尺度上的粗糙度，可以获得复杂表面在不同尺度上的粗糙度，也就是第一次实现了复杂表面的多尺度粗糙度分析。这种多尺度分析完全避免了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。更为重要的是，这种分析方法适用于各种类型材料表面分析，可以推广到各种材料表面结构信息的定量化分析中；同时也可以应用于普通扫描电子显微镜高分辨图像分析中，为多尺度微纳加工技术提供定量的观察、验证手段；为批量生产多尺度微纳结构表面提供定量的质检方法；不仅如此，也为多尺度复杂结构表面的构效关系研究奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例提供的材料表面拓扑结构分级定量分析方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的材料表面拓扑结构分级定量分析方法的实现流程图。

图3是根据本发明一实施例的扫描电镜图像。

图4是本发明实施例提供的对扫描电镜图像中的特征性水平线性区域进行分析得到的剖面图。

图5是本发明实施例提供的使用的两个微纳复合结构表面(表面2和表面3)纳米尺度间距的示意图。

图6是本发明实施例提供的使用的两个微纳复合结构表面(表面2和表面3)纳米尺度分布的统计图。

图7是本发明实施例提供的使用的扫描电子显微镜图像表面多尺度粗糙度Ra分析。

图8是根据本发明一实施例的3D激光扫描电子显微镜粗糙度分析。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的材料表面拓扑结构分级定量分析方法包括以下步骤：

S101：利用扫描电子显微镜拍摄所研究材料的二次电子图像。

S102：通过图像处理技术获取扫描电镜高分辨图像中像素点的位置信息和灰度值信息G(x,y)；其中(x,y)是指扫描电子显微镜图像中正在进行归一化处理的像素点的横纵坐标，G(x,y)是指该位置像素点在扫描电子显微镜图像中的灰度值。

S103：根据像素点的位置信息和灰度值信息，获得对被研究材料的表面形貌结构信息的定量化结果，进而进行统计分析，并可通过作图软件将结果转化为2维或3维图像。

S104：利用扫描电子显微镜拍摄所研究材料不同放大倍数的二次电子图像，实现对复杂结构材料表面进行不同尺度结构特征的分级定量分析。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明通过从扫描电镜图像上提取灰度信息，将其数字化，并对信息进行统计分析，获得(半)定量化统计结果。这种基于扫描电子显微镜图像的材料表面拓扑结构分级定量分析方法适用于多种类型的材料，可以推广到其他材料表面结构信息的定量化分析中，同时也可以应用于普通扫描电子显微镜高分辨图像分析中。

如图2所示，本发明实施例提供的材料表面拓扑结构分级定量分析方法使用的样品是具有从微米尺度表面到复杂微纳复合结构表面逐渐演化的系列钛表面，提供的基于扫描电子显微镜图像的材料表面拓扑结构分级定量分析方法对该系列表面进行拓扑结构定量分级分析。具体实施情况如下：

(1)将由钛样品水平放置在扫描电子显微镜的载物台上，使用扫描电子显微镜从样品的正上方对目标区域进行拍摄；通过与扫描电子显微镜相连的计算机获得拍摄得到系列表面，如图3。

(2)对扫描电镜图像中的特征性水平线性区域进行分析，利用分析得到的数据进行重构。由于是同一水平线性区域，所分析点的y值相同，即对G(x)进行作图，如图4所示。

(3)可以对纳米尺度进行特征性分析，本实施例中根据纳米尺度结构的实际尺度，选择100000倍放大后的图像进行分析图像灰度变化特征，将邻近的两个波峰之间的水平距离作为纳米尺度结构间距，统计不同表面纳米尺度结构分布规律，如图5，图6所示。

(4)对可以体现各个尺度特征结构的电镜图像进行表面粗糙度分级分析，获得轮廓的平均算术偏差值Ra，公式如下

本发明实现了基于扫描电子显微镜图像的材料表面拓扑结构分级定量分析方法，能够通过从扫描电镜图像上提取灰度信息，将其数字化，并对信息进行统计分析，获得(半)定量化统计结果。这种基于扫描电子显微镜图像的材料表面拓扑结构分级定量分析方法将扫描电镜提供的描述性的数据转化为定量的可用于统计分析的数据。适用于多种类型的材料，可以推广到各种材料表面结构信息的定量化分析中，同时也可以应用于普通扫描电子显微镜高分辨图像分析中，为多尺度微纳加工技术提供定量的观察、验证手段，为批量生产多尺度微纳结构表面提供定量的质检方法，同时也为多尺度复杂结构表面的构效关系研究奠定基础。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。