CN110455797B - 金相显微镜矩阵归一化校正方法 - Google Patents

金相显微镜矩阵归一化校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金相分析技术领域，特别涉及一种金相显微镜矩阵归一化校正方法，适用于多个金相显微镜同时工作的大面积样品快速金相分析。该金相显微镜矩阵由i×j个金相显微镜组成，将待分析样品表面分割成多个区域，i×j个金相显微镜同时对样品表面进行显微放大、聚焦拍照；通过对标准化样品进行九点采集、十字运行轨迹计算每个金相显微镜的C’ij的安装位置与运动方向的角度偏差αij、坐标偏差(Δxij，Δyij)以及表观长度偏差Δli，实现金相显微镜矩阵的校正。采用本发明能很好的快速解决多金相显微镜之间的位置、角度、放大倍率差异性问题。

Description

金相显微镜矩阵归一化校正方法
技术领域
本发明属于金相分析技术领域，特别涉及一种金相显微镜矩阵归一化校正方法，适用于多个金相显微镜同时工作的大面积样品快速金相分析。
背景技术
金相学主要指借助光学(金相)显微镜和体视显微镜等对材料显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征的材料学科分支，既包含材料显微组织的成像及其定性、定量表征，亦包含必要的样品制备、准备和取样方法。其主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒(亦包括可能存在的亚晶)、非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷(例如位错)的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。金相显微镜系统是将传统的光学显微镜与计算机(数码相机)通过光电转换有机的结合在一起，不仅可以在目镜上作显微观察，还能在计算机(数码相机)显示屏幕上观察实时动态图像，电脑型金相显微镜并能将所需要的图片进行编辑、保存和打印，金相样品的分析尺寸通常为10mm×10mm以下。
传统的金相分析方法仅适用对小面积样品表面的夹杂物进行定位、形貌分析，采用多组金相显微镜同时工作则可实现对大面积样品表面夹杂物定位、形貌分析。但是，由于各个金相显微镜之间的放大倍率存在差异、各个金相显微镜组成矩阵时的位置存在偏差、与精密运动平台运动方向间的角度也存在偏差，导致了金相分析结果不准确。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种高效、快速的金相显微镜矩阵归一化校正方法，在多个金相显微镜组成金相显微镜矩阵时，消除各个金相显微镜之间的放大倍率的差异，各个金相显微镜组成矩阵时的位置偏差、与精密运动平台运动方向间的角度偏差。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种金相显微镜矩阵归一化校正方法，该金相显微镜矩阵由i×j个金相显微镜组成，所述校正方法包括如下步骤：
(1)用激光器在经抛光制样后的样品上激发一次，形成斑点；将样品放置在金相显微镜矩阵下方，并调整焦距使金相显微镜矩阵聚焦在样品表面；
(2)将斑点中心移动至金相显微镜矩阵的任意一个金相显微镜C’ij(i＝0,1,2,…m；j＝0,1,2,…n)所对应的显微相机的中心处，采集图像，并通过最小外接矩形法求取并记录斑点中心坐标；在样品表面，以该坐标点为原点，在所选定的金相显微镜C’ij的平面直角坐标系的X正轴和负轴上分别间隔一定距离选定多对相互对称的坐标点，在Y正轴和负轴上分别间隔一定距离选定多对相互对称的坐标点；
将所有坐标点按一定顺序依次移动到所选定的金相显微镜C’ij所对应的显微相机的中心处，采集图像，并通过最小外接矩形法求取各坐标点的斑点中心坐标；
根据所得各坐标点的斑点中心坐标值，计算所选的金相显微镜C’ij的安装位置与运动方向的角度偏差α’ij、表观长度l’i和坐标值(x’ij，y’ij)；
(3)采用与步骤(2)相同的方式遍历金相显微镜矩阵的所有金相显微镜，获得所有金相显微镜的安装位置与运动方向的角度偏差αij、表观长度li和坐标值(xij，yij)；
(4)将步骤(2)所选定的金相显微镜C’ij的表观长度l’i归一为1微米/像素；L’i＝k×l’i；
式中，L’i为归一后的表观长度，k为归一系数，l’i为所选定的金相显微镜C’ij的表观长度；
(5)以所选定的金相显微镜C’ij为标准，通过如下公式计算金相显微镜矩阵中每个金相显微镜的坐标偏差(Δxij，Δyij)以及表观长度偏差Δli；
Δxij＝xij-x’ij；
Δyij＝yij-y’ij；
Δli＝li/L’i＝li/(k×l’i)；
(6)保存各金相显微镜的安装位置与运动方向的角度偏差αij、坐标偏差(Δxij，Δyij)以及表观长度偏差Δli，实现金相显微镜矩阵的校正。
所述步骤(1)中，用激光器在样品的中心点处激发形成光斑。
所述步骤(2)中，通过所选定的金相显微镜C’ij的平面直角坐标系的X轴上的间隔最远的两个坐标点对应的两个斑点中心坐标计算表观长度l’i。
所述步骤(2)中，通过所选定的金相显微镜C’ij的平面直角坐标系的X轴上的所有坐标点对应的纵坐标的平均值计算所选定的金相显微镜C’ij的纵坐标y’ij。
所述步骤(2)中，通过所选定的金相显微镜C’ij的平面直角坐标系的Y轴上的所有坐标点对应的横坐标的平均值计算所选定的金相显微镜C’ij的横坐标x’ij。
所述步骤(2)中，选定第一个金相显微镜C00作为校正基准。
所述步骤(2)中，斑点中心坐标记为M30(x1,y1)，以该坐标点M30为原点，在样品表面选定九个坐标点：M10(x1-2000,y1)、M20(x1-1000,y1)、M30(x1,y1)、M40(x1+1000,y1)、M50(x1+2000,y1)、M31(x1,y1-500)、M32(x1,y1-1000)、M33(x1,y1+500)、M34(x1,y1+1000)，坐标点单位为微米。
所述步骤(2)中，按M10→M20→M30→M40→M50→M32→M31→M33→M34的顺序求取各坐标点的斑点中心坐标。
所述步骤(2)中，通过M10、M50坐标对应的中心点坐标计算M10、M50两点间的距离，即为所选定的金相显微镜的表观长度；通过M10、M20、M30、M40、M50坐标对应的纵坐标的平均值计算所选定的金相显微镜的纵坐标；通过M32、M31、M30、M33、M34坐标对应的横坐标的平均值计算所选定的金相显微镜的横坐标。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
采用本发明可以消除金相显微镜矩阵组成时带来的金相显微镜位置、角度、放大倍率不同带来的各种偏差，特别适用于大面积样品的金相分析、多个金相显微镜同时工作的快速分析任务。由于金相显微镜是通用型检测器，具有夹杂物显微放大、定位、形貌分析的能力；由多个金相显微镜组成金相显微矩阵可以实现超大样品表面的夹杂物显微放大、定位、形貌分析，拓展传统金相显微镜的分析能力。
附图说明
图1为标准样品表面激光斑点图；
图2为最小外接矩形法求取激光斑点中心坐标示意图；
图3为九点采集十字轨迹运动法计算金相显微镜坐标偏差原理图；
图4为九点采集十字轨迹运动法计算金相显微镜角度偏差、放大倍率偏差原理图；
图5为金相显微镜矩阵校正样品运动轨迹图；
图6为金相显微镜矩阵校正原理图。源为存在坐标偏差、放大倍率偏差、角度偏差的金相显微镜矩阵，目标为希望获得的严格规整金相显微镜矩阵照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
本发明的核心是建立金相显微镜矩阵差异消除的校正量模型。
本实施例是基于的装备金相显微镜矩阵由6×4个金相显微镜组成，形成对样品表面720mm×480mm的覆盖，矩阵中每个金相显微镜负责区域大小为120mm×120mm。在中央控制系统的作用下，同时实现对样品表面的24个区域同步显微照相。通过移动样品，实现对样品表面进行扫描显微照相，扫描步进横向X为3mm，纵向Y为2mm。当单个金相显微镜完成一个区域120mm×120mm时，金相显微镜矩阵完成样品全表面的显微照相。
某标准样块经抛光制样后，用激光器在样品中心(大致)激发一次，形成
Figure BDA0002150282670000051
的光斑，将样品中心点放置在金相显微镜矩阵的第一个金相显微镜C00下方，调整焦距使金相显微镜矩阵聚焦在样品表面。通过精密位移系统将激光激发斑点中心移动至显微相机CCD的中心(2720，1824)处，采用最小外接矩形法求取斑点中心坐标，记录此点坐标M30(x1,y1)，坐标点单位为微米，在样品表面定义九点M10(x1-2000,y1)、M20(x1-1000,y1)、M30(x1,y1)、M40(x1+1000,y1)、M50(x1+2000,y1)、M31(x1,y1-500)、M32(x1,y1-1000)、M33(x1,y1+500)、M34(x1,y1+1000)。
计算坐标时，统计多个坐标的平均值；即：
取X轴上的所有坐标点对应的纵坐标的平均值，计算所选定的金相显微镜C’ij的纵坐标y’ij。
取Y轴上的所有坐标点对应的横坐标的平均值，计算所选定的金相显微镜C’ij的横坐标x’ij。
Figure BDA0002150282670000061
Figure BDA0002150282670000062
采用九点采集，十字运行的轨迹依次移动样品，即按M10→M20→M30→M40→M50→M32→M31→M33→M34的顺序，依次将坐标点移动到金相显微镜的下方，拍照，对照片中的激光斑点进行求取中心坐标处理，计算各个坐标点的中心坐标。依据中心点的坐标值，计算金相显微镜安装位置与运动方向的角度偏差α00；通过M10、M50坐标对应的中心点坐标计算M10与M50两点间的距离l0(表观长度)；通过M10、M20、M30、M40、M50坐标对应的纵坐标的平均值计算C00的纵坐标y00；通过M32、M31、M30、M33、M34坐标对应的横坐标的平均值计算C00的横坐标x00。移动样品至M30位置。
移动样品横向120毫米，纵向0毫米，重复动作1，计算金相显微镜C10的角度偏差α10，表观长度l1，坐标值(x10，y10)。
横向金相显微镜计算结束后，反向横向移动样品120毫米，纵向移动120毫米。重复1、2，完成第二行金相显微镜的角度偏差、表观长度、坐标值计算。
依次计算每个金相显微镜Cij的角度偏差αij、表观长度li、坐标值(xij，yij)。
将C00金相显微镜的表观长度归一为1微米/像素。L0＝k×l0。
以C00为标准计算金相显微镜矩阵中每个金相显微镜的坐标偏差(Δxij，Δyij)；计算表观长度偏差Δli。
Δxij＝xij-x00；Δyij＝yij-y00。
Δli＝li/L0＝li/(k×l0)。
保存系数Δxij、Δyij、αij、Δli。
在中央控制系统的控制下，结合精密运动平台，同信号采集和数据处理功能结合，可实现金相显微镜矩阵归一化校正过程高速自动化。
本发明所用金相显微镜放大倍数为200倍。
下面结合图1-6介绍校正方法的具体步骤：
在金相显微镜矩阵安装过程中存在位置偏差、角度偏差、放大倍率偏差，本实施例以4×6金相显微镜矩阵为例来阐明校正方法的步骤如下：
(1)抛光标准样品，采用20微米光斑激光激发样品中心，获得照片图1，即标准样品表面激光斑点图。
(2)对图1采取裁剪、二值化、应用最小外接矩形法计算斑点中心坐标，得到图2。
(3)依据图5的运动轨迹运动标准样品，根据原理图3，获得金相显微矩阵中各金相显微镜的坐标xij、yij；根据原理图4，获得金相显微矩阵中各金相显微镜的角度偏差αij、表观长度li。
(4)以C00金相显微镜为标准计算各显微镜的Δxij、Δyij、αij、Δli。
如图6。
将本发明的方法用于4×6金相显微镜矩阵，很好的实现了金相显微镜矩阵的归一化校正，消除了金相显微镜安装位置、角度、放大倍率的不同带来的偏差，校正方法快速、准确、高效。

Claims (9)

1.一种金相显微镜矩阵归一化校正方法，该金相显微镜矩阵由i×j个金相显微镜组成，其特征在于：所述校正方法包括如下步骤：
(1)用激光器在经抛光制样后的样品上激发一次，形成斑点；将样品放置在金相显微镜矩阵下方，并调整焦距使金相显微镜矩阵聚焦在样品表面；
(2)将斑点中心移动至金相显微镜矩阵的任意一个金相显微镜C’ij(i＝0,1,2,…m；j＝0,1,2,…n)所对应的显微相机的中心处，采集图像，并通过最小外接矩形法求取并记录斑点中心坐标；在样品表面，以该坐标点为原点，在所选定的金相显微镜C’ij的平面直角坐标系的X正轴和负轴上分别间隔一定距离选定多对相互对称的坐标点，在Y正轴和负轴上分别间隔一定距离选定多对相互对称的坐标点；
将所有坐标点按一定顺序依次移动到所选定的金相显微镜C’ij所对应的显微相机的中心处，采集图像，并通过最小外接矩形法求取各坐标点的斑点中心坐标；
根据所得各坐标点的斑点中心坐标值，计算所选的金相显微镜C’ij的安装位置与运动方向的角度偏差α’ij、表观长度l’i和坐标值(x’ij，y’ij)；
(3)采用与步骤(2)相同的方式遍历金相显微镜矩阵的所有金相显微镜，获得所有金相显微镜的安装位置与运动方向的角度偏差αij、表观长度li和坐标值(xij，yij)；
(4)将步骤(2)所选定的金相显微镜C’ij的表观长度l’i归一为1微米/像素；L’i＝k×l’i；
式中，L’i为归一后的表观长度，k为归一系数，l’i为所选定的金相显微镜C’ij的表观长度；
(5)以所选定的金相显微镜C’ij为标准，通过如下公式计算金相显微镜矩阵中每个金相显微镜的坐标偏差(Δxij，Δyij)以及表观长度偏差Δli；
Δxij＝xij-x’ij；
Δyij＝yij-y’ij；
Δli＝li/L’i＝li/(k×l’i)；
(6)保存各金相显微镜的安装位置与运动方向的角度偏差αij、坐标偏差(Δxij，Δyij)以及表观长度偏差Δli，实现金相显微镜矩阵的校正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，用激光器在样品的中心点处激发形成光斑。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过所选定的金相显微镜C’ij的平面直角坐标系的X轴上的间隔最远的两个坐标点对应的两个斑点中心坐标计算表观长度l’i。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过所选定的金相显微镜C’ij的平面直角坐标系的X轴上的所有坐标点对应的纵坐标的平均值计算所选定的金相显微镜C’ij的纵坐标y’ij。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过所选定的金相显微镜C’ij的平面直角坐标系的Y轴上的所有坐标点对应的横坐标的平均值计算所选定的金相显微镜C’ij的横坐标x’ij。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，选定第一个金相显微镜C00作为校正基准。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，斑点中心坐标记为M30(x1,y1)，以该坐标点M30为原点，在样品表面选定九个坐标点：M10(x1-2000,y1)、M20(x1-1000,y1)、M30(x1,y1)、M40(x1+1000,y1)、M50(x1+2000,y1)、M31(x1,y1-500)、M32(x1,y1-1000)、M33(x1,y1+500)、M34(x1,y1+1000)，坐标点单位为微米。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，按M10→M20→M30→M40→M50→M32→M31→M33→M34的顺序求取各坐标点的斑点中心坐标。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过M10、M50坐标对应的中心点坐标计算M10、M50两点间的距离，即为所选定的金相显微镜的表观长度；通过M10、M20、M30、M40、M50坐标对应的纵坐标的平均值计算所选定的金相显微镜的纵坐标；通过M32、M31、M30、M33、M34坐标对应的横坐标的平均值计算所选定的金相显微镜的横坐标。
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