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TEM照片處理軟件 Digital Micrograph的基礎操作

來源：本站時間：2020-11-02 20:41:57 瀏覽：27818次

1 引言

在電子顯微學界，“TEM”圖像可曾困擾你？

你是否也被“.dm3”文件所折磨？

只需一款軟件：Digital Micrograph（DM）便可幫你解決這些科研難題。

眾所周知，在透射電子顯微鏡（TEM）（圖1）上，不但能進行基本的形貌和結構表征，而且能實現晶體學分析、成分分析等多種分析手段，精度可以達到原子級，從而得到關于材料結構和成分的全方位信息。因此，對TEM分析軟件（DM）的掌握變得至關重要。下面，筆者將結合自己的科研經驗對DM軟件的基本操作進行詳細的介紹。

TEM照片處理軟件 Digital Micrograph的基礎操作-1

圖1 Digital Micrograph軟件

2 軟件介紹

Digital Micrograph是一款電子顯微鏡輔助軟件，主要用于透射電鏡的數據采集和分析；在材料領域，電子顯微鏡（電鏡）的應用是非常廣泛的，它比常規光學顯微鏡在放大倍數和清晰度上增強了1萬倍以上，是現代材料科學必不可少的工具；有了電子顯微鏡，必須要有相關的軟件搭配，Digital Micrograph就是其中之一。

這款由Gatan公司（圖2）開發的軟件，支持圖像采集、圖像處理和數據分析，能夠對目標物進行更準確的定點定位、化學研究，同時還能對分析報告進行打印，適用于材料、化學、生物醫學工程等相關領域的從業者。

TEM照片處理軟件 Digital Micrograph的基礎操作-2

3 軟件的基本功能介紹

DM安裝成功后，我們打開常見“dm3”文件即可看到圖3所示的工作界面，對該工作區域可以進行如下劃分：

1.菜單（DM Menu）：多種操作指令按照其功能分類。

2.工具（DM Tool)）：這些可移動窗口包括標準工具以及多種與被顯示圖像有關的信息。

3.圖像（Image）：圖像在DM軟件里被顯示的位置。

4.結果（Results）：這個文字窗口包含DM軟件在運行中的一些輸出信息。比如圖像分析和測量的結果。窗口里面的文字可以被拷貝或以文件格式存儲。

TEM照片處理軟件 Digital Micrograph的基礎操作-3

當然，大家也可以根據自己的習慣任意拖動工具欄快捷方式的位置來對其進行調整。

注意：當不小心刪除了快捷工具時，可以點擊菜單欄中的Window，在下拉菜單中選擇Basic Tools，然后點擊Show All即可（圖4）。

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3.1 圖像的亮度與襯度

圖像亮度與襯度的調節是保證圖像質量的重要一環，DM可以很容易地對圖像的亮度和襯度進行調節。為了更好地說明DM調節亮度和襯度的原理，首先講解一下計算機屏幕顯示的原理。一般來講，屏幕顯示器的灰度為8位（黑白）24位（彩色），而Gatan數碼相機最低是12位（最高16位）。一個12位的數字圖像含有4096個強度值，屏幕顯示器的灰度分辨率為256（8位）。因為圖像的強度分辨率大于顯示器的灰度級別，所以必須確定怎樣使用有限的顯示器灰度來顯示圖像中更高數目的強度。換句話說，可以在圖像中任選兩個強度值，指定較低的強度為屏幕顯示器的黑色（灰度=0），較高的強度為屏幕顯示器的白色（灰度=255）。由此可以定義一個圖像（4096個強度值）與顯示器（256灰度）之間的相互關系。對圖像亮度與襯度的調節實際上就是改變上述圖像與顯示器的相互關系。

如圖5，我們可以通過快捷工具欄中的Display Control使用亮度和襯度劃尺來優化圖像的顯示。此外，雙擊”Contrast”或”Brightness”或“Gamma”文字（紅框中）可以復原亮度或襯度的初值。圖5優化圖像顯示操作圖6為強度直方圖“Histogram”窗口，用鼠標選擇位于右邊的強度峰（點擊峰的左端，按下鼠標并拖至峰的右端）。這個操作改變了上面提到的圖像與顯示器之間的相互關系，從而改變了圖像的顯示。雙擊直方圖窗口下端的灰度橫帶（紅框中）可以復原直方圖的初始顯示值。

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圖5 優化圖像顯示操作

圖6強度直方圖“Histogram”窗口強度直方圖窗口中的曲線稱為“襯度變換曲線”（即上面提到的圖像與顯示器之間的強度對應關系）。在線性模式里，它是一條直線，在“gamma”顯示模式中，它變為非線性關系。此外通過選擇Image Display（也可以通過快捷鍵Ctrl+D），也可以把線性模式變為非線性。

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圖6 強度直方圖“Histogram”窗口

在圖像顯示的對話窗口中，選擇“object”下的“Image Display”，再點擊襯度（Contrast），然后在其右面的模式（Mode）選擇項中，選取均勻化（Equalized），最后點擊OK退出。用劃尺調節亮度或襯度，并觀察圖像的變化，此時強度直方圖中的曲線已經不再是直線了（圖7）。

再回到原先的線性模式（Image Display，選擇Linearmode）。在考察（survey）設定選擇中，練習選擇cross-wire。用鼠標選擇自動考察（Auto Survey），然后用鼠標點擊存儲鍵（Save Defaults），點擊OK，觀察圖像的變化。圖7改變強度直方圖“Histogram”窗口模式

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3.2 彩色顯示（偽色）

一般來說，電子顯微鏡圖像應該用黑白模式顯示。但有的時候有必要用偽彩來特別突出圖像中的某些細節，或者增加一些顯示的特殊效果。在用偽彩顯示時，屏幕顯示器的256個灰度（8數位）同一個彩色配置表建立一一對應關系，從而將一幅黑白圖像轉換成彩色圖像。

如圖8所示，在“Object”菜單下，選擇“Image Display”，

再選擇“Display”下的“Color”。在彩色配置表（ColorTable）下，選擇彩虹（Rainbow），點擊OK退出。此時圖像在偽彩模式下顯示。圖中的彩色方塊矩陣就是上面所說的黑白-彩色配置表，可以用亮度或襯度劃尺來改變圖像的顯示效果。再回到圖像顯示“Image Display”，選擇“Display”下的“Color”，選擇溫度“Temperature”，點擊OK退出。注意現在的彩色方塊矩陣（黑白-彩色配置表）已經變了。

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3.3 圖像注釋

圖像注釋通常包括在圖像中加入一些文字說明，箭頭標記，和其他幾何圖形（例如，長方或圓形等等）。DM軟件里有很多這方面的功能可供大家選用。圖像注釋使用的工具可以在標準工具盤“Standard Tool”上面找到（圖9紅框）。

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圖9 圖像注釋工具

功能介紹如下：

（1）文字加入：隨意打開一張圖像，點擊“文字注釋”圖標（上圖中“A”圖標），然后點擊圖像中的任何一點，即可輸入所需文字，再點擊圖像中的任意位置可終止文字輸入模式。此外，用鼠標點擊剛剛輸入的文字，可拖動文字從而改變其在圖像中的位置。

（2）改變字形：點擊圖像中的文字（文字塊的四角變為綠色）。然后在物體“Object”菜單下，選擇字形“Text Font”即可改變字形。

（3）改變字體大小：同上。在物體“Object”菜單下，選擇“Text Size”即可改變字體大小。

（4）改變字體類型：同上。在物體“Object”菜單下，選擇“Text Style”即可改變字體。

（5）改變字體背景：同上。在物體“Object”菜單下，選擇“Background”即可改變背景。

（6）畫線段和箭頭：用鼠標點擊“線段”（“A”圖標右側）。選擇圖像中的任何一點，按下并移動鼠標即可任意在圖像中畫線，釋放鼠標，即終止畫線模式。在畫線時，同時按下鍵盤上的移動鍵“Shift”，可以把直線的方向限制在0，45，和90度。此外，如果同時按下鍵盤上的“Alt”鍵,可以把直線變成單箭頭線。如果同時按下鍵盤上的控制“Ctrl”鍵,直線可以變成雙箭頭線。

（7）改變線段的類型：首先用鼠標單擊圖像中的線段。在物體“Object”菜單下，選擇“Background”，即可選擇不同線段類型。

（8）畫矩形或方形：用鼠標點擊“方形”圖標（圖9紅框左邊）。選擇圖像中的任何一點，按下并移動鼠標即可在圖像中畫出任意的矩形，釋放鼠標，即終止模式。若在畫矩形時同時按下鍵盤上的移動鍵“Shift”，矩形變為正方形。

（9）改變矩形或方形的類型：同上，在物體“Object”菜單下，選擇“Background”，即可選擇不同圖形類型。此外，畫橢圓或者圓形以及改變圖形類型操作與上文類似，讀者可自行摸索。

3.4 注釋物體的規則排列和組合

圖像中的各種注釋物體（例如文字，或幾何圖形，例如線段，方形，圓形等等），經常有必要將它們做有規則的排列。在DM軟件中可以將這些注釋物體按水平中心線，豎直中心線，或中心點排列。如圖10所示，選擇所有的注釋物體（按下鼠標畫一個虛設的方形區來包圍所有的注釋物體；或按下移動鍵“Shift”,點擊來選擇每個注釋物體），被選擇后的注釋物體，端點變為綠色。在物體“Object”菜單下，選擇“Align”的類型，即可選擇排列方式。

TEM照片處理軟件 Digital Micrograph的基礎操作-10

如果圖像中有很多的注釋物體，在規則排列做完后，為了便于保持它們之間的排列關系，可以將這些注釋物體合并變成一個綜合注釋物體。反過來也可以把一個綜合注釋物體拆成許多原始的注釋物體。即在“Object”菜單下，選擇“Group”，若要解除組關系，選擇“Ungroup”。

3.5 圖像裁剪

在DM軟件中可以非常容易地把圖像中的重要部分剪裁出來，并在一個新的圖像窗口中顯示。如圖11所示，對任何一張圖像可使用“矩形區域選擇工具”（圖中紅框內虛線框）在圖像中選擇要裁剪的區域，在預選區域的左上角點擊并按下鼠標，移動鼠標至區域的右下角，釋放鼠標，選擇的區域會被一個虛線矩形框標出。

同時按下鍵盤上的“Ctrl+C”即可復制選擇區域，同時按下“Ctrl+Alt+V”，即可在一個新的圖像窗口中顯示選擇區域。

3.6 圖像顯示與文件顯示

在DM軟件里，有兩種模式可以用來顯示圖像。第一種模式叫圖像模式（Image），第二種叫文件模式（Page）。如圖12所示，在“Target”移動窗口中有兩個鈕扣鍵，實心鍵為當前的顯示模式。在圖像模式中，圖像顯示窗口與圖像尺寸大小一樣，而在文件模式中，圖像顯示窗口則與文件（紙張）的大小一樣。在該顯示模式中，我們可以清楚地看到圖像在紙張上的顯示位置和打印尺寸。此外，還可以在文件中添加其它的圖像。

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3.7 圖像顯示的坐標系

數字圖像的基本單元叫做像素。圖像中每一點和該點上的強度由像素坐標（x,y）以及強度值“Value”來表示。在DM軟件中，如果鼠標在被顯示的圖像內移動時，鼠標所在的像素位置以及該點的強度值可以很容易地在”圖像狀態”“Image Status”窗口中讀出（圖13）。

3.8 圖像的標尺系

標尺對于電子顯微圖像來說至關重要。使用預先儲存的電鏡放大倍數校正表，DM軟件會對從CCD相機采集的每一幅圖像進行自動校正。圖像被校正后，DM軟件自動顯示圖像的標尺。但是如果被顯示的圖像沒有帶標尺，可以按照下面的步驟來顯示標尺（圖14）。

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如果電鏡的放大倍數沒有被預先校正（即不存在放大倍數校正表），DM軟件則會對圖像進行錯誤的校正。所以在使用CCD相機采集圖像時，一定要先校正電鏡的放大倍數。首先選擇“ROI Tools”中的虛線工具，在圖像中畫一條線，隨后選擇菜單中的“Analysis”，選擇“Calibrate”，在彈出來的對話欄中，選擇適當的單位，然后選擇OK退出。校正完畢，重復圖14步驟，即可顯示標尺。

3.9 圖像的儲存格式

DM軟件支持多種標準圖像儲存格式。如果沒有做特別設定，圖像的默認儲存格式為Gatan特殊格式（.dm3）。與其它格式不同之處在于用Gatan特殊格式存儲的圖像只能用DM軟件打開。其他的標準商用軟件不能直接閱讀Gatan特殊存儲格式，所以

打不開用Gatan特殊格式存儲的圖像。這種特殊格式保留了所有同Gatan CCD相機有關的參數，比如圖像的曝光時間、處理模式、電鏡的放大倍數、樣品名稱以及操作者名字等。如果需要使用其它的格式來存儲圖像，比如TIFF或JPEG等，則可能會出現分辨率損失的情況。

以上就是Digital Micrograph的基本操作。認真看完的你，學會了嗎？

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