CCD在金相显微镜中的应用研究

1　前言

金属材料的金相分析显微观察是《工程材料》课程必开的实验项目之一,这项实验是通过金相显微镜对金相试样进行观察,从而分析了解金属材料的组织结构。长期以来,这种传统的方法存在几个弊端,一是学生做实验时通过目镜观察一次只能一人,时间效率很低,若每人一台似乎不可能;二是在实验过程中教与学不能同时进行,不能直观的展开讨论,无法共同探讨图像的细节问题;三是长时间在显微镜下工作,受光刺激,眼睛非常疲劳。

光电荷耦合器件(Change CapuledDevice,CCD)是70年代初发展起来的新型半导体器件。多年来,CCD的研究取得惊人的发展。它具有光电转换、信息存储和延时等功能,而且集成度高、功耗小,所以在像传感器应用方面发展尤为迅速。因此优先采用CCD器件对本实验室原有的仪器进行技术改装具有现实意义。CCD目前采用线阵在计量仪器中的应用较多,对高分辨率、高精度的图像采用面阵供作实验分析和教学的应用据本研制者所知尚未见到。本文主要介绍CCD应用摄像器件与金相显微镜进行改装及技术组合的研究,力图从根本上解决实验教学中以往存在的一系列问题,以提高教学质量和实验水平。

2　结构分析和试验测定

2.1　金相显微镜的光路系统

JX-4型金相显微镜的光学系统如图1。由灯泡1发出一束光线,经过聚光镜组2及反光镜7被汇聚在孔径光阑8上,随后经过聚光镜3再度将光线焦在物镜6的后焦面,最后光线通物镜,用平行光照明标本使其表面得充分均匀的照明。从物体(标本)反射回来的光线复经物镜6、补助透镜5、半反射镜4、补助透镜10以棱镜11与棱镜12造成一个物体倒的放大实像,该像被场镜13和接目14所组成的目镜放大。

2.2　光电图像转换系统—光电光学系统

通过金相显微镜的照明由显微镜将标本形成倒立的放大实像,由摄影机的物镜二次成像到CCD的光敏阵列面上,要求将画幅图像同时进行转换或用扫描方法把图像的像素顺序地转换成光电信号。因此对光学系统的成像质量要求较高,它把二维光学图像信号转变成一维视频信号输出,监视器接受到视频信号后,把信号利用电-光转换器转换为光信号重构图像。如图2所示:

2.3　试验测定

(1)仪器的出瞳位置。仪器的出瞳位置通过目镜的场镜只有8mm,必须进行修正,其修正值应该是通过场镜使光源的聚焦在选定的摄像头入瞳处,试验中由于光斑不在入瞳位置时,拦去边视场光,边缘画面很暗看不见,显然其可见画面变得很小了。

(2)像面照度。金相显微镜的光源与CCD光敏器件相适应,CCD摄像器件的响应率(灵敏度)很高,通过摄像机靶面接收的照度在微弱光照下3LX甚至0.2LX就可工作。而金相显微镜原有的光源是6V15W,经过聚光到工作面的照度至少100LX,特别是金相试样检测面几乎是全反射通过整个光路系统成像到CCD摄像头的靶面上,入射于光敏元上的曝光量显然大大超过,所以试验时将光阑收到最小孔径,而实际光通量的强度仍然是覆盖了试样的图像,荧屏显示出的仅是一块大光斑,试验中还出现灯丝像,这主要是场镜不匹配所致。这些问题将在后面结构设计中讨论解决。