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扫描电子显微镜 (SEM) 能够通过使用背散射电子检测器 (BSD) 来可视化样品表面的成分异质性。BSD 的工作原理是检测电子束扫描样品表面时从样品表面反射的弹性散射电子。材料的原子序数越高，产生的背散射电子就越多，从而导致 BSD 图像的对比度更高。SEM 中的这种成像模式可以提供有关所研究材料微观结构的宝贵见解。
虽然 BSD 成像可以深入了解材料成分和表面形貌，但分析含有原子序数相近元素的材料可能具有挑战性。非线性强度映射函数（称为伽马校正）通常是提高区分 BSD 图像中紧密间隔元素的能力的最佳解决方案。除了此应用之外，伽马校正还可用作通用工具，在目标窄灰度范围内产生对比度，这可以帮助广泛的成像应用。这篇博文探讨了伽马校正的基础知识，并提供了 SEM 成像中的一些常见应用示例。
什么是 Gamma 校正？
要了解伽马校正的工作原理，首先必须了解亮度和对比度调整如何线性影响图像的灰度直方图。灰度直方图表示图像内强度值的分布，其中横轴表示像素强度，纵轴表示每个强度值的总像素数。
亮度调整将灰度值（图 1a-b）沿水平轴平移到更高或更低的范围，而不会改变分布的整体形状。对比度调整通过均匀扩大或缩小灰度值的范围来扩大或缩小强度分布（图 1c-d）。
图 1：亮度或对比度改变时的灰度直方图
与亮度和对比度调整不同，伽马校正以非线性方式选择性地修改强度分布。灰度直方图的一部分被压缩，而另一部分被扩展（图 1e-f）。这可用于强调灰度像素值小范围内的对比度差异。增加伽马值会将灰度直方图压缩到较暗的色调，从而强调较暗区域内的差异。降低伽马值会产生相反的效果，通过将直方图压缩到较亮的色调来增强较亮的特征。
SEM 分析中 Gamma 校正的应用示例
元素区分：
SEM-BSD 图像中像素的灰度值取决于原子的原子序数。原子序数较高的元素会与更多电子相互作用，与原子序数较低的元素相比，它们会显得更亮。然而，当原子序数接近时，它们可能很难区分。
图 2显示了使用 BSD 探测器从美国 1 美分硬币的横截面拍摄的 SEM 图像。横截面包含锌 (Z = 30) 和铜 (Z=29) 之间的界面。如果不改变伽马 (即伽马 = 1.0)，由于两个区域之间缺乏对比度，因此很难检测到界面的确切形状和位置。应用更高的伽马值 (即伽马 = 4.0) 可以增强这两个区域之间的对比度，从而更清晰、更精确地显示锌-铜界面。
图 2：未经（左）和经（右）伽马校正的锌铜界面的 SEM-BSD 图像。
晶粒结构分析：
在进行金属晶粒结构分析时，伽马校正尤其有用。在下面的示例（图3）中，使用 15% 至 85% 的二次电子探测器 (SED) 信号和 BSD 信号混合对一块镍泡沫进行成像。此图像中看到的对比度来自样品中不同晶格取向导致的衍射条件变化。这些取向不仅可以在晶粒之间变化，而且可以在单个晶粒内变化。在这种情况下，需要检测对比度的细微差异才能获得有意义的微观结构分析。
由于样品材料的强度值范围相对较窄，镍泡沫内的对比度差异很小，即使应用自动亮度和对比度调整，其微观结构的可见性仍然很差（图 3a）。降低伽马值可优化微观结构的可见性并显示丰富的细节，包括之前不可见的多区域晶粒的存在（图 3b）。
图 3：通过调整亮度、对比度和伽马来改善 SEM 图像：(a) 自动亮度和对比度调整；(b) 降低伽马。
概括
与亮度和对比度调整（会线性改变整个图像的所有灰度值）不同，伽马校正会以非线性方式修改灰度分布。这种非线性调整能够在较窄的灰度值范围内精确控制对比度。伽马校正在 SEM 成像的 BSD 模式下特别有用，它可以增强元素区分和微观结构特征。微调伽马值可以揭示仅使用标准亮度或对比度调整难以辨别的关键微观结构细节。此类增强功能可以更准确地解释材料科学和相关领域的 SEM 图像。
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