摘要:介绍了金相显微镜数字化照相系统的组成、系统的空间分辨率、标尺及放大倍数的标定方法。该系统不需暗室、方便、快速得到高质量金相照片。系统空间分辨率达71.39 1p/mm。该系统得到的金相照片易于编辑和交流。
金相显微镜是材料科学与工程专业应用最为广泛的微观分析仪器。传统的金相显微镜在底片上曝光成象记录金相组织。但是,完美的金相照片要经过繁杂的、长时间的暗室工作。而且,金相照片还无法方便地和文字一起在计算机上编辑,处于粘贴状况,比较落后。
随着计算机技术的发展,推动了各学科领域的数字化。金相显微镜传统的冲洗照相技术已不能满足计算机的需要,而数码照相技术的问世使金相显微镜照相系统的数字化成为可能。为此,我们将高分辨率的数码相机、图像分析软件及照片质量的打印机应用于金相显微镜,得到了金相显微镜的数字化照相系统,使金相照相方便、快速、高质量;也使金相照片易于数字储存、编辑;也可通过Internet进行实时交流。
1 实验条件
CCD尺寸为1/1.7英寸的数码相机,焦距7.6mm,像素数为1280×1024dpi和640×480dpi两种模式; PⅡ300计算机; 1400×720dpi打印机。焦距为51.67mm的SSFC-Ⅱ超短焦平行光管,WT1065-62国际标准分辨率板NO4。高精密Neophot21金相显微镜及物体测微器,Microsoft Windows′95中文版及通用图像处理软件Adobe Photodeluxe。
2 金相显微镜数字化照相系统
金相显微镜数字化照相系统包括接口、数码相机、计算机、打印机。接口实现显微镜和数码相机的光学、机械连接;数码相机采集金相组织并传递到计算机;通过计算机编辑,该金相组织清晰化并得到放大倍数或标尺,并将该组织传递到打印机;打印机打印出电子金相照片。设备连接示意如下。
接口是金相显微镜数字化照相系统的重要环节。按光学成像原理,接口要保证数码照相机的入瞳直径D数大于显微镜的出瞳直径D显,即D数>D显,以得到充满视野的金相组织,增大照相的选择区域,同时避免丢失显微组织信息。所以,需要设计专用的光学接口来匹配上述要求[1]。从机械上讲,除了固定照相机外要能进行相机与光学接口的对中调节,保证二者光轴平行并对中,避免产生光束切割造成显微组织畸变。
3 数字化照相系统分辨率标定
金相组织的传统记录方式是胶片,通常情况下胶片的分辨率为50 lp/mm,而人的眼睛的分辨率为6.7lp/mm[2]。可以看出,通过胶片可以记录我们肉眼看不到的显微细节。数码相机是用高分辨率的CCD记录金相组织的,其分辨率用像素来表示,如1280×1024dpi等。利用数字化照相系统得到的是“电子金相照片[3]”,它能否达到传统的冲洗照片的分辨率是该系统的关键。为此,我们测定了该系统的空间分辨率。
按照光学系统理论和像质评价的方法[4]可知,对于数字化照相系统成像质量评价应由反应系统各个部分分辨能力频率特性的调制传递函数的乘积表达。就目前测量和计算系统的光学传递函数的工作比较复杂,我们仅从几何光学方法来讨论。
用λ=546nm的绿光,通过SSFC-II超短焦平行光管4号测板测定的系统成像图案如图1所示。其中图1a为640×480 dpi的成像图案,图1b为1280×1024 dpi的成像图案。通过判断,图1a可分辨04-05组,图1b可分辨04-10组。根据公式[4]:
其中f′为超短焦平行光管物镜焦距(51.67mm);f为被测数码相机焦距(7.6mm);N0为四方向线条都能清晰分辨的组数的空间频率(lp/mm);N为被测数字化照相系统轴上空间分辨率(lp/mm);σ为被测数字化照相系统可分辨最小间距(σ=1/N) (mm)。
通过计算,数字化照相系统分辨率见表1。
可以看出,若数码相机像素设定为640×480dpi,数字化照相系统分辨率为53.5 lp/mm;若数码相机像素设定为1280×1024dpi,该系统分辨率为71.4 lp/mm,均高于胶片的分辨率。这充分证明了数字化照相系统完全可取代传统的冲洗照相技术,而且该系统可以记录胶片记录不到的显微细节。
一般情况下,数码相机像素越多,单个像素尺寸越小,分辨率就越高,图像越清晰。其实质是CCD光敏面上单位面积像素数越多,分辨细节的能力就越强[5]。同样是1/1.7英寸的CCD,若在数码相机中图像处理格式化时将像素数设定为1280×1024dpi,就相当于对应CCD光敏面上单位面积像素数为11955像素/mm2,则系统可分辨最小间距为14μm;若图像处理格式化时将像素数设定为640×480dpi,就相当于对应CCD光敏面上单位面积像素数为2793像素/mm2,则系统可分辨最小间距为18.69μm。这里明显看出,当像素设定由1280×1024dpi转换为640×480dpi,单位面积像素数减少3/4,系统空间分辨率降低1/4。
数码相机直接采集出的金相组织图像并非处于最佳视觉图像状态,在不改变原貌的条件下,通过计算机对采集到的图像进行对比度、亮度、饱和度、锐利度等做图像象处理,在不损失系统分辨率的条件下提高图像的清晰度。
打印机是数字化照相系统获得电子金相照片的最后一步处理过程。打印机的分辨率必须高于系统其它各个部分的分辨率,只有这样,才有可能在不损失已采集到的显微细节信息的情况下,记录出真实的图像来。我们选用的1440×720dpi的打印机满足了上述要求,可以打印出较完美的电子金相照片,可以和传统冲洗的金相照片相媲美。
4 金相显微镜数字化照相系统放大倍数标定
光学接口、数码相机和金相显微镜连接后,由于相对位置的固定而具有固定的组合放大倍数,而计算机、打印机可根据该倍数再进行放大或缩小。为此,我们必须先求出接口与数码相机的组合放大倍数。我们通过拍摄在不同物镜、中间变倍镜条件下的物体测微器图像,标定了接口与数码相机的组合放大倍数。测量结果见表2。测微器每格实际尺寸为0.01mm,100%物体测微器照片的每格尺寸为L,则接口与数码相机组合放大倍数为L/0.01。图2a为物镜50倍、中间变倍目镜20倍的100%物体测微器图像,经测量5L=61.5mm,经计算该条件下接口与数码相机组合放大倍数为1.23。经统计分析可以得出:接口与数码相机组合放大倍数为1.156。
进一步可以得出:100%电子金相照片实际放大倍数=物镜倍数×中间变倍镜倍数×1.156
5 打印电子金相照片
图3为高速钢的传统冲洗金相照片,图4为数字化照相系统拍摄、打印的高速钢电子金相照片。我们可以说它们具有相同的清晰度,详细记录了高速钢的金相组织。进一步证实了金相显微镜数字化照相系统的可行性。
一般来说,金相显微镜数字化照相系统有两种打印照片的方法,一种只加标尺长度;另一种要加标尺长度及放大倍数。
(1)加标尺长度
如果仅对金相组织进行说明,不需要在照片上标明放大倍数,只标明标尺长度就可。此时,仅需要选用相应物镜、中间变倍镜的标尺长度,通过复制、粘贴、图层合并,既可得到完整的电子金相照片(图4)。
(2)加标尺及放大倍数
为了进行金相组织比较,不同的金相组织照片必须具有相同的放大倍数。为此,必须保证各照片具有相同的标尺长度。利用Adobe Photodeluxe图像处理软件可对图像进行放大或缩写,它是通过插值、取样、积分完成的。对于1280×1024dpi的数字图像,通过Adobe Photodeluxe按100%比例打印,每英寸可打印72个像素,见图2a。如果缩小打印比例,则应相应扩大每英寸可打印的像素数;如果放大打印比例,则应相应缩小每英寸可打印的像素数。如图2b为把图2a的每英寸可打印72像素扩大二倍(即72×2=144像素)后的图像,它为100%物体测微器图像的50%,即缩小了1/2。
为此,我们必须先得到有标尺的金相图像,再根据需要放大或缩小,并标明放大倍数。我们已经得出100%电子金相照片实际放大倍数为A,设需要电子金相照片的倍数为B,则设定打印电子金相照片的每英寸可打印像素个数为其中M为每英寸可打印像素个数;A为100%电子金相照片实际放大倍数;B为需要的电子金相照片的倍数。
这样,在Adobe Photodeluxe图像处理软件中,把电子金相照片的照片尺寸中的每英寸可打印像素个数由72设定为M,由此得到的电子金相照片为所需要放大倍数的照片。必须注意,在设定过程中要同时受照片比例和照片文件大小的约束。图4为预备打印倍数为250倍的高速钢电子金相照片,高速钢100%电子金相照片实际放大倍数A=12.5×20×1.156=216.26,而B=250,有A/B= 216.26/200=1.156,则该250倍电子金相照片的每英寸可打印像素个数M为:
M=72×1.156=83.232
通过测量图4标尺长度并计算,该照片的放大倍数恰好为250倍。
6 结论
(1)采用光学接口、机械接口、1280×1024dpi分辨率的数码相机、计算机、1400×720dpi打印机组成了金相显微镜数字化照相系统,该系统空间分辨率为71.39 lp/mm,高于胶片的分辨率50 lp/mm。故此,数字化照相系统可以取代传统的金相照相技术。
(2)金相显微镜数字化照相系统有
①自动聚焦、自动曝光,操作方便;获得电子金相照片快,从拍摄到打印出照片仅需几分钟左右,不再需要长时间的、繁杂的暗室工作;
②电子金相照片保存在磁盘上,可直接插入其它文本文件进行编辑,不再需要粘贴传统冲洗的金相照片;通过计算机可方便迅速地放大、缩小,具有放大仪的作用;通过Internet可实现实时异地分析讨论、异地打印。
③反拍原有照片,并进行计算机分析、编辑,具有扫描仪的功能。
④获得的电子金相照片可用图像分析软件做定量分析等优点。
参考文献
[1] 萧泽新.显微电视CCD摄录接口的设计[J].敏通科技, 1997(10)
[2] 陈宗简等编.金相显微镜[M].北京:机械工业出版社, 1982
[3] 段莉萍.计算机在金相分析技术中的应用[J].理化检验, 1999(6)
[4] 苏大图,林家明等编.光学检测技术[M].北京:北京理工大学出版社, 1996
[5] 王以铭等编.电荷偶合器件与应用[M] .北京:科学技术出版社, 1987
作者简介:毕革平(1967-),男,工程师,从事研究方向: 1)数字化照相系统在显微镜上的应用;2)材料的数字图像特征与材料的性能。联系地址:北京学院南路76号钢研院测试所(100081)
