什么是数码显微镜——浅谈显微技术的数字化趋势

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如今，各式各样的数字化产品融入了我们的生活，包括数码相机、数字电视机、数码相框以及数字学校等等。密码学家们设计出了数字签名，通信研究人员设计出了数字身份证。“数字化”已经成了一个被过度使用的流行语，但不容置疑的是，自从计算机发明以来，数字技术就已经彻底改变了我们的世界，未来，它仍将不断地改变着世界。数字化革命也已经对显微镜领域产生了巨大的影响。最初的改变源自数码相机，因为数码相机已经为所有领域的显微镜用户提供了更好的文件记录和分析设备。现在，市场上的很多数码显微镜与传统的显微镜技术相距甚远。新技术通常会得到广泛的关注，但归根结底，是因为数码显微镜拥有一系列众多优势，但这并不意味着数码显微镜可以轻而易举地代替所有的传统显微镜，因此，确定数码显微镜的限制条件及其优势所在，这是值得我们仔细琢磨和探讨的话题。

表面分析质量

在众多的行业质量检验，尤其是表面分析中，数码显微镜具有显著优势。断裂分析、倾斜和垂直表面分析，或对涡轮转子等较大部件的现场检验，这些仅仅是数码显微镜能够充分彰显其潜力的几个应用示例而已。然而，对于有些应用领域，采用立体或光学显微镜的传统解决方案则更实用、更划算。因此，合理化建议和丰富的应用知识是正确选择解决方案的基本条件。但是，什么才是成功使用数码显微镜的关键指标，数码显微镜和传统显微镜之间又存在哪些差异呢？

什么是数码显微镜？

首先，数码显微镜不含目镜。样品可以直接在监测器上成像，用户利用软件即可观察和分析单通道中的样品，同时还能保持舒适、轻松的坐姿。根据特定应用领域选择数码显微镜的不同部件：放大倍率范围由低到超高的变焦光学器件、镜架、滑动载物台等。一台数码显微镜系统应具备标准化设计，以便为满足预期用途进行精确配置，并能够灵活适应通用条件的变化。为了向用户提供传统装配无法企及的真正附加值，数码显微镜必须满足以下五项技术要求：

1. 经过优化的数码成像技术

2. 动态观察加工过程或物体

3. 定性和定量的样品分析

4. 在高动态范围内显示和分析样品

5. 便于灵活安放样品和移动使用的精益光学器件

图 1：带灵活倾翻台和旋转 x/y 载物台的数码显微镜，确保对样品或倾斜表面的各个侧面进行可靠地检测和分析。

经过优化的数码成像技术

典型的数码显微镜配备一台 CCD 照相机，可与高分辨率光学器件完美结合。这台照相机能够尽可能确保信息生成，同时保持每张图片的数据量易于管理。但是，人们趋向于根据数码相机的像素来评判相机的好坏。很多人认为，像素越高，相机就越好。但在显微镜中，像素最高的相机不一定是最好的。要判断哪种相机具有最佳成像效果，关键在于显微镜的光学性能及其应用领域。早在数码显微镜“功成名就”之前，一位美国科学家 Harry Nyquist 就已经证实，两位数像素的照相机并不能提供更多的图像信息，只会更快地在硬件中塞满无效数据。

数字化图像的分辨率测量值是指在锐聚焦中成像的黑白线对最大数值。依据经验法则，计算得出显微镜每毫米的线对数为 3000 x NA（数值孔径）。上述数值除以相机传感器上物体的重现比率，即可得到相机传感器实际捕捉的每毫米线对数量。这表示，高像素的相机在高放大倍率上并无优势，因为相机的分辨力高于光学系统的分辨力。因此，该相机生成的图像会大一些，但成像效果并没有更好。相机只能生成更多的数据，却无法展示更多的细节。

由于数码显微镜不含目镜，因此，它必须能够以较高的刷新率将活动图像呈现在监测器上。理想的刷新率至少为 15 帧/秒，这样能够确保即使载物台移动到 xy 轴位置时，用户仍然能够以轻松、舒适地姿势来观察图像。在试验期间，图像处理速度加快会更有优势。图像捕捉速率加快，整体样品处理时间就变短了。

照明对于不含目镜的显微镜来说，是另一个重要问题。光源设备应尽可能强劲和耐用，还应拥有与日光相似的色温，确保用户能够获取样品的真实感图像。金属蒸汽灯是理想之选。现在，市场上提供使用寿命长、免维护、基于 LED 的照明系统，作为此类照明设备的可靠备选方案。

定性和定量的样品分析

数码显微镜的核心竞争力之一就是三维表面模型的快速生成和分析。运用电动调焦驱动器，可以将图像记录在 z 轴的各个焦平面上。然后，在每个单一图像中确定焦点，并获得每个像素的焦点。由清晰度最佳的像素确定聚焦结构，通过该结构可以计算经过优化的三维模型。此外，可以根据记录的锐聚焦点距离信息，构建形貌轮廓。

图 3：塑料部件的三维模型，呈伪彩色

这一方法是通用的，不论在低放大倍率（宏观物镜）还是高放大倍率（高性能 4740x 物镜）范围内，均可实现精确的形貌表面测量。除三维剖面外，还可测量粗糙度、几何尺寸和体积。

为确保可靠性和精确性，数码显微镜应配备电子编码的变焦部件。随后，在记录过程中，数字图像将自动进行正确校准。不正确的图像值通常是运用常规系统时产生误差的常见原因。

在高动态范围内显示和分析样品

大多数的数码显微镜相机使用 16 bits单色捕捉（相当于 65,536 种颜色），以便探索图像的整个动态范围。但问题是，大多数计算机屏幕和打印机每个通道只能显示 8 bits，相当于 256 个亮度级。这就意味着，我们肉眼能够辨别的所有亮度细微差别通常不会再现。

为了捕捉高动态范围的图像，可以使用 HDR（高动态范围）方法。通过这些反差较大的图像，捕捉整个范围的自然亮度细微差别。像素值与实际发光密度构成比例关系。由于几乎所有屏幕的亮度仍较低，因此，尽管 HDR 图像必须适应这种较低的亮度范围，但这并不妨碍它们发挥自身的优势。尤其是，即使在屏幕图像极其灰暗和明亮的区域，样品细节仍然清晰可见。

图 4：电子部件的 HDR 图像

便于灵活和移动使用的精益光学器件

在检测倾斜或垂直表面上极其微小的结构时，常规显微镜常常会遭遇尴尬。例如，只有对设备进行较大程度的改装，才能获得较大电路板上焊点的侧视图。样品先前不可接近的区域对于数码显微镜来说，自然不在话下。

图 5：测量硬金属可转位插件的磨损情况

灵活的倾翻台与旋转 x/y 轴载物台的完美组合，令用户可以在几乎任何位置进行可靠地检测和分析工作。但是，有些产品无法搬运，而且也不能从这些产品上截取任何样品。此时，使用现代化的便携式数码显微镜，就可以轻松对静态物体进行无损检测了。当然，移动式数码显微镜也非常有助于在多个地点执行质量控制任务。

结论

如果需要对难以记录的样品进行频繁检测或需要快速进行三维表面量化，数码显微镜无疑是传统显微镜的良好替代方案。然而，如果在试验中，更看重光学清晰度以及各种反差效果，则立体或光学显微镜会更胜一筹。因此，在投资一台新设备前，必须做足功课，仔细衡量每款仪器的优势，获取针对每个备选方案的全面、客观的意见和建议。

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