用扫描仪采集低倍照片新方法的探索和分析

(1．钢铁研究总院测试所，北京100081；2．北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083)

摘  要：介绍了扫描仪的工作原理和用扫描仪获取低倍照片的操作方法。与用135相机和数码相机获取低倍照片比较，该方法操作更加方便简捷，对实验人员照相技术的要求更低，获取小试样低倍照片更加方便高效，反映材料微细组织结构的能力更强等优点。该方法的缺点是只能拍摄尺寸小于扫描仪面板和表面起伏比较小的试样。

关键词：金相；低倍检验；照相；扫描仪

中图分类号：TG115．211．3    文献标识码：A    文章编号：1001—0777(2009)06—0041—03

    　在钢铁产品的分析检测中，低倍、高倍金相检验常需要大量的图片来描述材料的组织形态、非金属夹杂物及各类缺陷形貌等^[1,2]。最初，获取低倍和实物照片一般用135相机，需要胶片显像和照片冲洗等一系列的流程，速度慢且费工费时，严重制约检验速度，使得检测工作难以满足快捷、及时、准确地为生产和科研服务的要求。而数码照相技术省去了显像和洗相环节，能够大大提高了检验速度。近年来，随着数码照相技术的飞跃发展，数码相机逐渐取代了传统135相机，成为获取高倍、低倍和实物照片的主要手段^[3,4]。作为数码照相技术的一种新的尝试，笔者在实践过程中摸索获得了用扫描仪采集低倍组织照片的新方法。

1  扫描仪工作原理

    　扫描仪主要由光学成像部分、转换电路部分和机械传动部分组成。光学成像部分，即通常所说的镜组，包括光电转换部件、光源、光路和镜头，是扫描仪的关键部分。光电转换部件是扫描仪的核心，可以将照射在其上的光信号转换为对应的电信号，目前大多数扫描仪采用的光电转换部件是电荷藕合器件(CCD)。转换电路俗称机器主板，负责完成一切电路的伺服工作，A／D转换工作，以及镜组采集的数字信号的处理。机械传动部分包括步进电机、扫描头及导轨等，主要负责主板对步进电机发出指令带动皮带，使镜组按轨道移动完成扫描。

    　扫描仪工作时，首先由光源将光线照在图稿上，产生表示图像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。光学系统采集这些光线，将其聚焦在CCD上，由CCD将光信号转换为电信号，然后经过电路部分对这些信号进行A／D转换和处理，产生对应的数字信号输送给计算机。当机械传动机构带动扫描头将图稿全部扫描一遍，一幅完整的图像就输入到计算机中去了。

2  低倍照片采集方法介绍

    　由于扫描仪上没有调焦系统，只能扫描表面平坦或起伏较小的试样，而一般低倍组织试样的检验面都要磨平，以适合用扫描仪照相。试样低倍组织浸蚀出来之后，放到扫描仪的玻璃稿台上，然后根据试样大小、组织特征以及相关需求设定合适扫描范围和分辨率，最后扫描获得低倍组织照片。图1为4种不同分辨率下冲击试样的组织形貌照片。

  　  一般扫描仪的自带软件中都有优化图像质量的选项，如自动调色、背景色修正、粒状修正等等，在设定分辨率的同时可以选择合适的图像优化选项提高图像的质量。由于低倍试样一般都有一定的厚度，盖板盖上时与玻璃板之间的间隙较大，盖板上的反射光只有少量能被光学系统采集，导致照片中试样周围的背景区域亮度值较低且不均匀(呈灰色或灰黑色)，不但影响图像视觉效果，而且在打印照片时浪费墨水。在室内光线比较充足的情况下，如果扫描时盖板保持打开状态，用外界自然光充当背景色，就能提高背景区域的亮度值和均匀性。图2为不同背景下涡扇晶粒度的对比照片。

    　在实际操作过程中还应注意如下问题：扫描仪稿台尺寸有限，试样的尺寸不能太大；稿台玻璃板的强度有限，样品的质量不能太大；放取试样时要轻拿轻放，避免试样棱角磕碰玻璃板和在玻璃板上滑动，以免玻璃板上留下豁口或划痕；扫描试样前要将玻璃板清理干净，避免玻璃板上的印记或灰尘形成假象。

3  不同照相方法的比较

    　与传统135相机相比，用数码相机和扫描仪照相省去了冲洗底片和印相工序，大大简化了低倍检验过程，缩短了工作周期，节约了成本。数码相机和扫描仪照相后都能即时浏览照片，图像质量容易控制，可有效避免由于拍摄过程中的聚焦、曝光等原因导致的返工现象。

    　传统135相机和数码相机照相均需要人工或自动聚焦，聚焦不当导致照片模糊的现象经常出现，特别是对于难以聚焦的小样品，更容易出现上述问题。而扫描仪的焦点固定在稿台表面，只要将试样正确放置在稿台上就不会出现由于聚焦引起的图像模糊问题。

    　传统135相机和数码相机照相过程中，经常会出现入射光线不均匀和透视学上的伸长缩短效应而导致图像失真。用扫描仪照相时，入射光由光源系统提供，能够保证入射光的均匀性，样品表面放在玻璃板上，能够保证检验面与成像面基本平行，可以有效避免由于光线不均匀或照相角度控制不好导致的图像失真问题。

    　传统135相机和数码相机照相时，试样图像投影到胶卷或CCD上都经过图3所示的缩放过程^[1]，图像相对于样品的实际分辨率一标称分辨率׃／l。一般普通135相机的焦距ƒ为几十毫米，数码相机焦距ƒ为几毫米，两类相机能够清晰成像的最小距离大都在十几厘米以上，图像相对于样品的最大实际分辨率仅为标称分辨率的几分之一至十几分之一甚至几十分之一。扫描仪照相中，检验面与成像面距离恒定不变，标称分辨率即为图像相对于实际样品的分辨率。所以相同标称分辨率条件下，扫描仪的实际分辨率更高。135相机和数码相机在近距离成像时聚焦都比较困难，所以检验材料精细组织结构时，扫描仪照相更加方便。

  　  用135相机和数码相机拍照时，很难控制每次的厂都相同，图像相对于实际样品的分辨率是变化不定的，所以每次照相都需要在试样附近放置一个参考标尺。扫描仪照相中，标称分辨率即为图像相对于实际样品的分辨率，可以不同分辨率下预先制备好标尺，根据图像的分辨率选择相应的标尺粘贴在图像上，这样可以省去每次照相都要准备和摆放参考标尺的工作。

4  结语

    　用扫描仪可以获取高质量的低倍照片，与传统135相机和数码相机相比，照相过程更加简捷，对实验人员照相技术的要求更低，更能避免有效图像失真问题，获取小试样照片更加方便，反应材料精细组织结构的能力更强，但本方法只能检验尺寸小于扫描仪面板和表面起伏较小的试样。

参考文献：

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