第 29 卷第 2 期 2009 年 4 月
辽宁工业大学学报(自然科学版)
Joumal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)
Vo 1. 29 , NO.2 Apr.2009
利用 MATLAB 软件处理 STM 和 AFM 的图像
张研研陈祺 2
(1.渤海大学物理系，辽宁锦州
121013;
2.太和区职业技能教育中心，辽宁锦州
121000)
摘
要:介绍了扫描隧道显微镜 (STM)和原子力显微镜(A凹的的工作原理。因为电脑显示器上的图像往往会
受到外界一些因素的影响，所以采用 MATLAB 软件对图像进行处理，收到了明显的效果。最后，总结了图像质 量改善的意义。 关键词:扫描隧道显微镜:原子力显微镜;图像
中图分类号
04-33
文献标识码
B
文章编号
1674-3261 (2009)02-0094-04
Use of Software MATLAB to Process Images 。 f ST 岛1{ and AFM
ZHANG Yan-yan 1, CHEN Qi2
(I. Department of Physics , Bohai University, Jinzhou
121013, China;
2. Education Center ofVocation a1 Skill, Taihe Di strict, Jinzhou 121000, China)
Key words: STM; AFM; image Abstract: The work.i ng principle of STM and AFM was described. Because images on computer's screen were often
a征ected
by some outside factors , so the software of MATLAB was used to process
images , which obtained very distinct resu1ts. At last, the significance on improving the images quality was summarized.
扫描隧道显微镜 (STM) 的诞生，使人类第一次 与样品在近距离(小于 0.1 nm) 时，由于二者存在电
在实空间观测到了原子，并能够在超高真空超低温 的状态下操纵原子。但是 STM 只能探测导体和半
位差而产生隧道电流，隧道电流对距离非常敏感:
当控制压电陶瓷使探针在样品表面进行扫描时，由
导体的表面形貌，为了观察非导电物质的形貌，在
1986 年 IBM 公司的 GBinning 和斯坦福大学的
C.E.Quate 及C.Oerber 合作发明了原子力显微镜
于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离
发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化:
控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机
进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的形貌图
像 [2] 。
(AFM) ，使观察绝缘体成为可能[1] 和 AFM 的图像处理。
本文以 AFM
III 型原子力显微镜(兼容 STM) 为例，来研究 STM
1.2 AFM 的工作原理
AFM 具有一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端
有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面
1
1.1
STM 和 AFM 的工作原理
STM 的工作原理
时，由于探针尖端的原子与样品的原子之间产生极
电子隧道效应是 sτM 的技术基础。利用探针
收稿日期 2008-12一 11
其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲。将微;悬臂弯
作者简介 z 张研研 0980-) ，女，辽宁阜新人，助教，硕士。
第 2期
张研研等:利用 MATLAB 软件处理 STM 和 AFM 的图像
95
曲的形变信号转换成光电信号
并进行放大，就可以
得到原子之间力的微弱变化的信号，这个微弱变化
的信号体现了微悬臂与样品表面的距离。把这种信
号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分 辨率的形貌图像 [2] 。
2
应用 MATLAB 软件处理 STM 和 AFM 扫描出的图像
STM 和 AFM 所观察到的样品表面的微观形
貌，虽然最终是以视觉能够感知的形式出现在计算
机监视器上，但其实质是因为隧道距离的变化引起
(a) 均衡化前
的电流变化量经过数字化处理之后得到的，也就是
说本质上并不是人的视觉能够直接感受到的，而计
算机屏幕上的图像往往会由于噪声等一些因素的
影响，效果不是很好，所以这里利用功能强大的
MATLAB 软件(支持的图像格式有 JPG 、 TIF 、 GIF 、 BMP 等)来处理 STM 和 AFM 扫描出的图像，收到
了非常明显的效果。
2.1
图像增强
利用 STM 或 AFM 扫描出的图像的清晰度有时
不能达到要求，所以可以用 MATLAB 的图像增强
功能来增加图像的清晰度，增强对特殊信息的识别
能力，收到了较好的效果。
即 …
(b) 均衡化后
直方图均衡化前、后图像显示效果比较
以 STM 扫描出的光栅图像(如图I(a) 所示)为
例，具体程序如下:
I=imread( ‘ guangshan l. bmp'); J=rgb2gray(I); Imshow(J)
%显示原图像
自gure，imhist(J)
%显示原图像的直方图
J2=histeq(J);
%直方图均衡化
figure ,imshow(J2)
、 剧 M=imread( ‘ guangshan2.bmp' ); N=rgb2gray(i); [L noise]=wiener2(N ,[5 ,5])
%显示滤波后的矩阵及噪声强度
h=fspecial( ‘ average' ,6);
%创建滤波器
Q2=roifilt2(h,Q ,bw);
%滤波
imshow(N)
%显示滤波前的图像
figure , imshow(Q2)
;figure ,imshow(L)
%显示滤波后的图像
、 i卢卢，..一…---
---- -- -- -4 , ,'- -- -在大范围扫描出的
纤维图像(如图 7 (a) 所示) ，然后选择小范围做精细
Microscopy[J]. Phys. Rev.
社， 2004: 118一 12 1.
L巳前，
1986, 56(9): 930.
观察时一般要观察较长的那根纤维，而在该图像的
有些区域看不清纤维是否连接，无法判断纤维的长
[2] 许并社.纳米材料及应用技术 [M]. 北京:化学工业出版
短，于是可以选择区域进行放大。放大的操作很简
单，只要在想放大的区域点击鼠标左键即可放大该
[3] 徐飞，施晓红. MATLAB 应用图像处理 [M]. 西安:西安
电子科技大学出版社， 2002: 95-223.
区域图像，点击鼠标右键图像还原;也可用鼠标拖
责任编校 z 孙林
第 29 卷第 2 期 2009 年 4 月
辽宁工业大学学报(自然科学版)
Joumal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)
Vo 1. 29 , NO.2 Apr.2009
利用 MATLAB 软件处理 STM 和 AFM 的图像
张研研陈祺 2
(1.渤海大学物理系，辽宁锦州
121013;
2.太和区职业技能教育中心，辽宁锦州
121000)
摘
要:介绍了扫描隧道显微镜 (STM)和原子力显微镜(A凹的的工作原理。因为电脑显示器上的图像往往会
受到外界一些因素的影响，所以采用 MATLAB 软件对图像进行处理，收到了明显的效果。最后，总结了图像质 量改善的意义。 关键词:扫描隧道显微镜:原子力显微镜;图像
中图分类号
04-33
文献标识码
B
文章编号
1674-3261 (2009)02-0094-04
Use of Software MATLAB to Process Images 。 f ST 岛1{ and AFM
ZHANG Yan-yan 1, CHEN Qi2
(I. Department of Physics , Bohai University, Jinzhou
121013, China;
2. Education Center ofVocation a1 Skill, Taihe Di strict, Jinzhou 121000, China)
Key words: STM; AFM; image Abstract: The work.i ng principle of STM and AFM was described. Because images on computer's screen were often
a征ected
by some outside factors , so the software of MATLAB was used to process
images , which obtained very distinct resu1ts. At last, the significance on improving the images quality was summarized.
扫描隧道显微镜 (STM) 的诞生，使人类第一次 与样品在近距离(小于 0.1 nm) 时，由于二者存在电
在实空间观测到了原子，并能够在超高真空超低温 的状态下操纵原子。但是 STM 只能探测导体和半
位差而产生隧道电流，隧道电流对距离非常敏感:
当控制压电陶瓷使探针在样品表面进行扫描时，由
导体的表面形貌，为了观察非导电物质的形貌，在
1986 年 IBM 公司的 GBinning 和斯坦福大学的
C.E.Quate 及C.Oerber 合作发明了原子力显微镜
于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离
发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化:
控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机
进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的形貌图
像 [2] 。
(AFM) ，使观察绝缘体成为可能[1] 和 AFM 的图像处理。
本文以 AFM
III 型原子力显微镜(兼容 STM) 为例，来研究 STM
1.2 AFM 的工作原理
AFM 具有一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端
有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面
1
1.1
STM 和 AFM 的工作原理
STM 的工作原理
时，由于探针尖端的原子与样品的原子之间产生极
电子隧道效应是 sτM 的技术基础。利用探针
收稿日期 2008-12一 11
其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲。将微;悬臂弯
作者简介 z 张研研 0980-) ，女，辽宁阜新人，助教，硕士。
第 2期
张研研等:利用 MATLAB 软件处理 STM 和 AFM 的图像
95
曲的形变信号转换成光电信号
并进行放大，就可以
得到原子之间力的微弱变化的信号，这个微弱变化
的信号体现了微悬臂与样品表面的距离。把这种信
号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分 辨率的形貌图像 [2] 。
2
应用 MATLAB 软件处理 STM 和 AFM 扫描出的图像
STM 和 AFM 所观察到的样品表面的微观形
貌，虽然最终是以视觉能够感知的形式出现在计算
机监视器上，但其实质是因为隧道距离的变化引起
(a) 均衡化前
的电流变化量经过数字化处理之后得到的，也就是
说本质上并不是人的视觉能够直接感受到的，而计
算机屏幕上的图像往往会由于噪声等一些因素的
影响，效果不是很好，所以这里利用功能强大的
MATLAB 软件(支持的图像格式有 JPG 、 TIF 、 GIF 、 BMP 等)来处理 STM 和 AFM 扫描出的图像，收到
了非常明显的效果。
2.1
图像增强
利用 STM 或 AFM 扫描出的图像的清晰度有时
不能达到要求，所以可以用 MATLAB 的图像增强
功能来增加图像的清晰度，增强对特殊信息的识别
能力，收到了较好的效果。
即 …
(b) 均衡化后
直方图均衡化前、后图像显示效果比较
以 STM 扫描出的光栅图像(如图I(a) 所示)为
例，具体程序如下:
I=imread( ‘ guangshan l. bmp'); J=rgb2gray(I); Imshow(J)
%显示原图像
自gure，imhist(J)
%显示原图像的直方图
J2=histeq(J);
%直方图均衡化
figure ,imshow(J2)
、 剧 M=imread( ‘ guangshan2.bmp' ); N=rgb2gray(i); [L noise]=wiener2(N ,[5 ,5])
%显示滤波后的矩阵及噪声强度
h=fspecial( ‘ average' ,6);
%创建滤波器
Q2=roifilt2(h,Q ,bw);
%滤波
imshow(N)
%显示滤波前的图像
figure , imshow(Q2)
;figure ,imshow(L)
%显示滤波后的图像
、 i卢卢，..一…---
---- -- -- -4 , ,'- -- -在大范围扫描出的
纤维图像(如图 7 (a) 所示) ，然后选择小范围做精细
Microscopy[J]. Phys. Rev.
社， 2004: 118一 12 1.
L巳前，
1986, 56(9): 930.
观察时一般要观察较长的那根纤维，而在该图像的
有些区域看不清纤维是否连接，无法判断纤维的长
[2] 许并社.纳米材料及应用技术 [M]. 北京:化学工业出版
短，于是可以选择区域进行放大。放大的操作很简
单，只要在想放大的区域点击鼠标左键即可放大该
[3] 徐飞，施晓红. MATLAB 应用图像处理 [M]. 西安:西安
电子科技大学出版社， 2002: 95-223.
区域图像，点击鼠标右键图像还原;也可用鼠标拖
责任编校 z 孙林