一种二值化的纳米多孔材料表征方法技术

一种基于二值化方法的、结合了扫描云纹技术和灰度共生矩阵处理方法的纳米多孔材料表征方法，通过扫描电子显微镜拍摄被测纳米多孔材料的云纹条纹图像，并采用灰度共生矩阵方法处理该云纹条纹图，通过对获得的云纹条纹图进行二值化处理，可将图像的灰度级别降低为原来的1/128，相应地，由二值化云纹条纹图所获得的灰度共生矩阵的维数也减少到原来的1/128。本发明专利技术方法具有快速高效等优点，同时兼具灵敏度高、操作简单，以及可批量处理等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米多孔材料的表征方法，尤其涉及一种结合了扫描云纹技术和灰度共生矩阵处理方法的纳米多孔材料表征方法。
技术介绍
纳米多孔材料是指材料表面和内部具有直径介于几纳米到几百纳米大小之间的任意形状孔洞，且各个孔洞间彼此不连通的材料。纳米多孔材料作为一种新型材料，在光电转换、化学催化、气体过滤等方面具有重要的潜在应用价值。随着微制造技术的不断成熟，研究人员已经可以制备具有预期特征参数的纳米多孔材料，为纳米多孔材料的进一步研究提供了技术保证。要实现纳米多孔材料的广泛应用，首先要发展有针对性的先进纳米表征技术以进行精确、高效的测量。目前，对纳米多孔材料的测量主要依靠高分辨率显微镜的直接观测。由于被观测的对象尺度在纳米或微米量级，因此，通常需要在极高的放大倍数下，对由纳米多孔材料制成的被测试样进行小区域观测。然而，上述测量方法的缺点在于，当测量面积较大的纳米多孔材料被测试样时，需要将试样划分成几百个甚至几万个小区域后分别对每个区域进行测量，并且对测量结果进行图像拼接等后处理从而得到整个试样的表征参数，其中，最重要的两个表征参数是纳米多孔材料的结构主周期和结构主方向。用现有方法来测量纳米多孔材料的效率非常之低，实际上，现有方法在实践中无法测量面积较大的纳米多孔材料。Dally J.W.等在其论文Electron beam moiré.Experimental Mechanics中提出了一种扫描云纹法，该方法通过扫描电子显微镜的扫描线与试样表面周期性结构的叠加产生云纹条纹，云纹条纹图携带了试样表面的结构周期性信息，通过分析云纹条纹图即可对试样进行分析，其局限在于，只能对具有规则周期性结构的试样进行测量，而对于纳米多孔材料这类的具有不规则周期结构的材料则无能为力。Wang Q.等人于2013年在其论文Formation ofsecondary Moiré patterns for characterization of nanoporous alumina structures in multiple domains with different orientations中提出了一种二次扫描云纹法，通过对纳米多孔材料的表面进行分区域分析来实现结构表征，其局限在于，不能进行有效的大面积表征。不可忽略的是，已有的扫描云纹技术对于条纹图像的处理都是基于256级灰度划分的，导致计算数据量巨大，不便于快速处理图像。换言之，图像包括目标物体、背景还有噪声，要想从多值的数字图像中直接提取出目标物体，最常用的方法就是设定一个阈值，利用该阈值将图像的数据分成大于阈值的像素群和小于阈值的像素群，这种研究灰度变换的最特殊方法称为图像的二值化，在灰度图像处理中，二值化方法可以使图像处理的数据量减少90％以上并且使图像处理速度提高10倍以上。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种用于表征纳米多孔材料的结构主周期和结构主方向的方法，包括以下步骤：a).将待测纳米多孔材料加工成厚度为0.1～0.3mm的矩形薄膜试样并将该试样置于扫描电镜的样品台上，调节扫描电镜的放大倍数和工作距离，以得到所述纳米多孔材料的云纹条纹，记录所述扫描电镜的放大倍数并拍摄所述云纹条纹图像；b).将所拍摄的云纹条纹图像进行二值化处理，求出所述扫描电镜二值化云纹条纹图的灰度共生矩阵；c).根据所述扫描电镜的放大倍数，确定所述扫描电镜的扫描线周期；d).将扫描电镜的扫描参数设置成：搜索区间为[1，z]，搜索角度分别为0°、45°、90°和135°，搜索初始值设为1像素，分别在0°、45°、90°和135°这4个方向上以搜索初始值1个像素为搜索起点，以1个像素为单次增量逐渐增加，直至搜索位移达到z像素，停止搜索；e).根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的对比度F1：F1＝g00+g11其中，g00是所述的灰度共生矩阵中第1行、第1列的元素；g11是所述的灰度共生矩阵中第2行、第2列的元素；根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的相关性F2：F2=(g11-(g01+g11)×(g10+g11))2(g01+g11)(g00+g10)(g10+g11)(g00+g01)+0.5;]]>其中，g01是所述的灰度共生矩阵中第1行、第2列的元素；g10是所述的灰度共生矩阵中第2行、第1列的元素；根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的总变化量F3：F3＝(g01+g10+2g11)-(g01+g10+2g11)2+2g11；根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的差熵F4：F4=0.75-2(g00+g11)(g10+g01)0.75;]]>根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的κ统计量F5：F5=2-(g01+g10)/(1-(g00+g01)(g10+g11)(g01+g11)(g00+g10))2;]]>根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的对比度F1、相关性F2、总变化量F3、差熵F4和κ统计量F5的算数平均值F~=15ΣFii=1,2,3,4,5;]]>f).分别计算前述d)中提到的搜索区间[1，z]内的所有搜索位移的值，当取最大值时的搜索位移即为所述扫描电镜云纹条纹二值化图的结构主周期d，此时的方向即为结构主方向θ；g).根据下述公式计算被测纳米多孔材料试样的结构主周期p：p′=d1+(dp)2+2dpcosφ;]]>根据下述公式计算被测纳米多孔材料试样的结构主方向sinθ：sinθ=sinθsin2φ+(dp+cosφ)2.]]>本专利技术所提出的纳米多孔材料的表征方法，其优点在于，当纳米多孔材料被加工成厚度为0.1～0.3mm的薄膜试样时，最容易在描电镜中观测到纳米多孔材料薄膜试样的清晰的云纹条纹，从而使测量视场有效增大以提高测量面积；由于采用了统计学方法，即灰度共生矩阵的5个特定特征值的算数平均值，从而可以对非周期性不规则纳米多孔结构进行测量。此外，通过对获得的云纹条纹图进行二值化处理，可将图像的灰度级别降低为原来的1/128，相应地，由二值化云纹条纹图所获得的灰度共生矩阵的维数也减少到原来的1/128。因此，理论上而言，计算量可减少为原来的1/16384。可见本专利技术方法具有快速高效等优点。此外，本方法还具有灵敏度高、操作简单，以及可批量处理等优点。附图说明图1为本专利技术实施例中氧化铝纳米多孔薄膜试样的扫描电镜观察形貌图。图2为本专利技术实施例中氧化铝纳米多孔薄膜试样的扫描电镜放大倍数为18本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二值法的用于表征纳米多孔材料的结构主周期和结构主方向的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：a).将待测纳米多孔材料加工成厚度为0.1～0.3mm的矩形薄膜试样并将该试样置于扫描电镜的样品台上，调节扫描电镜的放大倍数和工作距离，以得到所述纳米多孔材料的云纹条纹，记录所述扫描电镜的放大倍数并拍摄所述云纹条纹图像；b).将所拍摄的云纹条纹图像进行二值化处理，求出所述扫描电镜二值化云纹条纹图的灰度共生矩阵；c).根据所述扫描电镜的放大倍数，确定所述扫描电镜的扫描线周期；d).将扫描电镜的扫描参数设置成：搜索区间为[1，z]，搜索角度分别为0°、45°、90°和135°，搜索初始值设为1像素，分别在0°、45°、90°和135°这4个方向上以搜索初始值1个像素为搜索起点，以1个像素为单次增量逐渐增加，直至搜索位移达到z像素，停止搜索；e).根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的对比度F1：F1＝g00+g11其中，g00是所述的灰度共生矩阵中第1行、第1列的元素；g11是所述的灰度共生矩阵中第2行、第2列的元素；根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的相关性F2：F2=(g11-(g01+g11)×(g10+g11))2(g01+g11)(g00+g10)(g10+g11)(g00+g01)+0.5;]]>其中，g01是所述的灰度共生矩阵中第1行、第2列的元素；g10是所述的灰度共生矩阵中第2行、第1列的元素；根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的总变化量F3：F3＝(g01+g10+2g11)‑(g01+g10+2g11)2+2g11；根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的差熵F4：F4=0.75-2(g00+g11)(g10+g01)0.75;]]>根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的κ统计量F5：F5=2-(g01+g10)/(1-(g00+g01)(g10+g11)(g01+g11)(g00+g10))2;]]>根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的对比度F1、相关性F2、总变化量F3、差熵F4和κ统计量F5的算数平均值F~=15ΣFi,i=1,2,3,4,5;]]>f).分别计算前述d)中提到的搜索区间[1，z]内的所有搜索位移的值，当取最大值时的搜索位移即为所述扫描电镜云纹条纹二值化图的结构主周期d，此时的方向即为结构主方向θ；g).根据下述公式计算被测纳米多孔材料试样的结构主周期p′：p′=d1+(dp)2+2dpcosφ;]]>根据下述公式计算被测纳米多孔材料试样的结构主方向sinθ：sinθ=sinφsin2φ+(dp+cosφ)2.]]>...

【技术特征摘要】
1.一种基于二值法的用于表征纳米多孔材料的结构主周期和结构主方向的
方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a).将待测纳米多孔材料加工成厚度为0.1～0.3mm的矩形薄膜试样并将该试
样置于扫描电镜的样品台上，调节扫描电镜的放大倍数和工作距离，以得到所
述纳米多孔材料的云纹条纹，记录所述扫描电镜的放大倍数并拍摄所述云纹条
纹图像；
b).将所拍摄的云纹条纹图像进行二值化处理，求出所述扫描电镜二值化云
纹条纹图的灰度共生矩阵；
c).根据所述扫描电镜的放大倍数，确定所述扫描电镜的扫描线周期；
d).将扫描电镜的扫描参数设置成：搜索区间为[1，z]，搜索角度分别为0°、
45°、90°和135°，搜索初始值设为1像素，分别在0°、45°、90°和135°
这4个方向上以搜索初始值1个像素为搜索起点，以1个像素为单次增量逐渐
增加，直至搜索位移达到z像素，停止搜索；
e).根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的对比度F1：
F1＝g00+g11其中，g00是所述的灰度共生矩阵中第1行、第1列的元素；g11是所述的灰
度共生矩阵中第2行、第2列的元素；
根据下述公式计算所述灰度共生矩阵的相关性F2：
F2=(g11-(g01+g11)×(g10+g11))2(g01+g11)(g00+g10)(g10+g11)(g00+g01)+0.5;]]>其中，g01是所述的灰度共生矩阵中第1行...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢惠民，李传崴，刘战伟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11