EBSD随笔（一）：聊聊EBSD的相机

2023-04-23 17:45:49, 焦汇胜

编者寄语：

卢克任工作室今天继续发表原创作者-焦汇胜博士及其团队-的原创图文，焦博的上一个系列《能谱小知识》共十一篇，以其二十余年的从业经验，知识深入浅出，观点明了易懂，他的知识和见解对多位电镜同仁都有帮助。应工作室读者的要求，这期继续发表焦博的《EBSD随笔》系列，以飨读者。

笔者从第一次使用EBSD到现在已经二十多年了，目睹了这项技术的发展，从早期每秒一点的采集速度到现在的每秒几千点，EBSD已经基本成为金属材料研究的标配手段。

在发展中最大的进步，则发生在采集EBSD衍射花样的相机技术上，从早期的模拟相机到CCD（电荷耦合器件），再到今天的CMOS（互补金属氧化物半导体）和直接电子探测（Direct Electron Detection DED）相机的变化，每一次变化都伴随着EBSD采集速度或者灵敏度的进步。

CCD相机在逐渐被速度更快的CMOS相机取代，而DED相机也已经崭露头角；下面我们就聊聊相机这些事。其实CCD相机和CMOS相机都出现在上世纪60年代，CMOS相机的传感器由多个独立的像素单元组成，每个像素单元都包括一个光敏元件和一个放大器。而CCD相机的传感器是由一个大型电荷耦合器件（CCD）组成，其整个传感器的所有像素单元都通过一个输出放大器进行传输。因此这两种不同的技术对半导体Si片的要求不一样，CMOS需要纯度和均匀性更高的。由于早期硅片达不到均匀性的要求，直到90年代CMOS才逐步发展起来。

图1. CCD和CMOS的工作方式示意图

CCD技术成熟比较早，而CMOS从90年代开始进入了快速发展期，并逐渐取代了很多CCD应用的场景。主要原因是CMOS相机通常比CCD相机更便宜、更省电、更快速、并且具有更好的彩色响应；但是CCD相机仍然没有被CMOS完全取代，主要是因为在低光条件下CMOS表现还不能完全超过CCD，并且可能存在更高的噪声水平。CCD相机则在低光条件下表现更好，噪声更少，但价格相对较高。

大家可能注意到EBSD数据采集时通常是在binning模式下进行，例如2×2或4×4 binning。CCD相机的Binning是一种常用的提高速度的模式，通过将相邻的像素值合并成一个新的像素值，从而降低图像分辨率，提高图像信噪比和灵敏度，由于Binning会降低图像分辨率，使得每幅图像所包含的像素数量减少，因此可以降低相机的数据传输量，从而显著提高相机的采集速度。

但是，CMOS相机的binning则不同，在使用binning时没有使用CCD相机的明显的信号强度的变化。这是因为CMOS相机的Binning是通过像素合并电路实现的，合并过程在图像的模拟信号处理阶段进行，Binning也不会显著增强信号强度。CMOS通过Binning的方式可以提高帧频，但是更多情况下CMOS通过二段抽样（Sub-sampling）方式提高帧频。而且，CMOS在像素合并的过程中会产生更多的噪声和失真，因为像素合并电路会引入一定的噪声和非线性失真。而CCD相机的Binning则可以实现更加准确的像素合并，因为像素读出电路相对更加简单、稳定，且具有更高的精度。

直接电子探测（DED）早期是为生物透射电镜研发的高分辨成像技术，直到近年来才被应用到EBSD领域。与使用CCD/CMOS的EBSD相机不同，DED不再需要磷屏进行衍射电子花样的显示，而是直接接收电子轰击产生信号，并且具备单电子感光的能力，因此该成像技术有很高的灵敏度，可以在低电压低束流下工作，例如可以在3kV下正常工作，可以提高常规EBSD的空间分辨率并减少对样品的损伤。由于相机的灵敏度提高了，EBSD花样会呈现更多的细节，也会进一步拓宽EBSD应用的领域。