金相顯微鏡上實(shí)現(xiàn)三維微觀形貌恢復(fù)

宋琨鵬+于瀛潔+牟柯冰

摘要： 金相顯微鏡是一種經(jīng)典的測(cè)量分析儀器，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了金相顯微鏡圖像的數(shù)字化采集，并恢復(fù)了三維微觀形貌。首先，對(duì)金相顯微鏡的載物臺(tái)加裝電機(jī)，利用電機(jī)帶動(dòng)載物臺(tái)進(jìn)行精密移動(dòng)，在載物臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中，對(duì)被測(cè)物體等步距拍攝序列圖像。然后，根據(jù)聚焦形貌恢復(fù)的原理，采用修正的拉普拉斯算子進(jìn)行聚焦程度判斷，利用高斯插值方法獲取聚焦程度最大值以及此時(shí)被測(cè)表面的高度信息，恢復(fù)三維形貌。最后，利用金相顯微鏡對(duì)粗糙度樣塊進(jìn)行測(cè)量，獲得了相符的測(cè)量結(jié)果。該方法對(duì)于擴(kuò)展金相顯微鏡的測(cè)量范圍具有積極意義。

關(guān)鍵詞： 金相顯微鏡； 聚焦形貌恢復(fù)； 三維微觀形貌恢復(fù)

中圖分類號(hào)： TP394.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.003

文章編號(hào)： 1005-5630（2016）05-0388-05

引 言

金相顯微鏡是一種應(yīng)用廣泛的光學(xué)儀器，可以及早發(fā)現(xiàn)材料加工生產(chǎn)中的問(wèn)題，改善熱處理操作，防止產(chǎn)生廢品，提高產(chǎn)品質(zhì)量。該設(shè)備已成為鋼鐵冶煉、材料加工等行業(yè)重要的測(cè)量分析儀器，也廣泛應(yīng)用在高校的實(shí)驗(yàn)研究教學(xué)中。數(shù)字化是提升測(cè)量能力、滿足現(xiàn)代生產(chǎn)要求的有效手段。因此國(guó)內(nèi)外許多研究人員已經(jīng)對(duì)普通的金相顯微鏡進(jìn)行了數(shù)字化[1-2]，用CCD采集圖像，然后進(jìn)行圖像分析與處理。目前商品化的金相顯微鏡多以二維測(cè)量分析為主，但實(shí)際應(yīng)用中對(duì)同時(shí)獲得三維信息也有很多需求。金相顯微鏡本身的結(jié)構(gòu)具有三維運(yùn)動(dòng)功能，為實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量提供了必要條件。

在載物臺(tái)可以精密移動(dòng)的基礎(chǔ)上，基于一些新的圖像處理技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)微觀形貌的恢復(fù)。本文采用單目視覺(jué)方法，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像部分不做改動(dòng)，成本較低，而且容易實(shí)現(xiàn)[3]。在單目視覺(jué)方法中，采用聚焦形貌恢復(fù)方法對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行恢復(fù)，原理簡(jiǎn)單，魯棒性較好。本文簡(jiǎn)要介紹了聚焦形貌恢復(fù)技術(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)金相顯微鏡進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了粗糙度樣塊三維表面形貌的恢復(fù)，測(cè)量了表面粗糙度，與標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)后可得實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確可靠。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)擴(kuò)大了金相顯微鏡的使用范圍。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

可以通過(guò)以下三個(gè)方法獲取序列圖像：圖像采集系統(tǒng)移動(dòng)、被測(cè)物體移動(dòng)或鏡頭變焦。最后一個(gè)方法的缺點(diǎn)是景深發(fā)生變化，對(duì)光學(xué)裝置要求高，因此通常采用移動(dòng)被測(cè)物體或者移動(dòng)光學(xué)鏡頭的方法來(lái)獲取序列圖像。如圖3所示，在手動(dòng)控制金相顯微鏡載物臺(tái)的基礎(chǔ)上，添加步進(jìn)電機(jī)，利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)載物臺(tái)上下移動(dòng)，CCD捕獲移動(dòng)過(guò)程中被測(cè)物體的圖像。測(cè)試樣品為粗糙度Ra=0.8 μm的車削樣板，采用20倍物鏡，步進(jìn)距離為1 μm（兩幅圖像的距離），采集10幅序列圖像，圖4所示為其中的4幅圖像。在移動(dòng)過(guò)程中，首先是被測(cè)樣品全部離焦，如圖4（a）所示圖像模糊，隨著測(cè)量臂向上移動(dòng)，樣品底部先聚焦，如圖4（b）所示樣品底部圖像清晰，頂部模糊，接著樣品頂部聚焦，如圖4（c）所示頂部圖像清晰，底部模糊，最后全部離焦，如圖4（d）所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)式（2）、（3）計(jì)算得到每個(gè)像素點(diǎn)的聚焦測(cè)度值，利用高斯插值，根據(jù)式（5）獲取對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高度值，恢復(fù)的三維形貌如圖5所示，消除傾斜之后如圖6所示。垂直于車削痕跡方向獲取多個(gè)橫截面，測(cè)量結(jié)果Ra=0.11 μm。

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)的金相顯微鏡在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但只適用于二維測(cè)量分析。本文基于聚焦形貌恢復(fù)技術(shù)在金相顯微鏡上實(shí)現(xiàn)了三維微觀形貌測(cè)量，計(jì)算了被測(cè)物體的表面粗糙度值，擴(kuò)展了金相顯微鏡的測(cè)量功能。

聚焦形貌恢復(fù)技術(shù)的精度主要取決于光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)和序列圖像的軸向采樣間隔。電機(jī)的步進(jìn)距離必須小于光學(xué)系統(tǒng)的景深，否則會(huì)丟失步進(jìn)距離與景深差值之間的高度信息，影響三維形貌的恢復(fù)。光學(xué)系統(tǒng)景深越小，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)距離越小，最后的測(cè)量精度越高。但景深越小，顯微鏡的放大倍數(shù)越大，測(cè)量視野變得越小。同時(shí)步進(jìn)距離越小，對(duì)精密機(jī)械裝置的要求也就越高。因此要對(duì)被測(cè)物體的大小和精度要求進(jìn)行合理的選擇。后續(xù)工作中將對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度開展研究分析。

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