基于激光共焦扫描显微镜方法的磨损表面三维数字化描述

　　磨损表面形貌直接反映机械零件的磨损、疲劳和腐蚀等特征行为,不同磨损过程后的磨损表面形貌差别很大,不同的摩擦表面状态也会影响摩擦副的性能,因此,磨损表面形貌是判定磨损机制最直接、最主要的判据[1]。表面形貌的精确描述在许多领域诸如材料、生物医学、摩擦学和机器状态监测等领域变得越来越重要[2-3]。表面特征的描述常常涉及精确测量、分析和特征解释。在表面信息获取方面已取得大量的研究成果,同时许多数字化的描述参数也已用来描述表面特征[4]。表面形貌的测量设备通常要求能得到准确的表面形貌数据以便能进行进一步的分析。使用激光共焦扫描显微镜,能方便、准确地对磨损表面形貌[5]进行研究。本文作者研究如何用Bio2rad Radi2ance 2000激光共焦扫描显微镜来获得精确的磨损表面的三维高度信息,进而用计算机辅助图像分析技术来量化表面特征。

　　1　激光共焦扫描显微镜的原理

　　1957年Minsky就提出了共焦显微镜技术的某些基本原理,并获得了美国专利[6]。激光共焦扫描显微镜采用共轭焦点技术进行成像,采用相干性很好的激光作为激发光源。光源、被测样品及探测器处在彼此对应的共轭位置上,激光束从光源针孔射出,经过分光镜,再由扫描透镜聚焦于样品表面,对样品内焦平面上每一点进行扫描,然后,激发出的荧光或者反射的激光束经由入射光路直接返回到分光镜,经分光镜折射和探测透镜聚焦后,透过探测针孔(DetectorPinhole)由光电倍增管(PhotoMultiplier)探测收集,在此过程中,只有来自样品焦平面上的光才能在探测针孔平面正确聚焦,从而穿过探测针孔而成像;焦平面以外区域射来的光线在探测针孔处是离焦的,被探测针孔滤除,不能被光电倍增管探测收集[7]。因此,用激光共焦扫描显微镜观察表面时,非观察点不能成像,从而克服了传统光学显微镜把被观察物体一定纵深范围的结构都加以成像的缺点,把物体分为若干光学断层,逐层扫描成像,层与层之间有高的纵深分辨率,这样成像图像清晰。激光共焦扫描显微镜是迄今为止较为理想的三维显微成像系统,与常规的光学显微镜相比,激光共焦扫描显微镜具有更高的分辨率。此外,相比于表面轮廓仪和其它显微镜系统诸如扫描电镜,激光共焦扫描显微镜还具有如下的优点: (1)非接触式,对表面没有破坏性; (2)样品准备时间短。图1所示是一个典型的激光共焦扫描显微镜系统的示意图, X/Y扫描单元在计算机自动控制部分的指令下逐点完成聚焦平面的扫描,完成一次扫描后,在步进电机的驱动下,载物台沿Z轴方向移动形成一个新的聚焦平面,光电倍增管依次采集这些光学断层切割平面图像,并输入到计算机,以便进行后续的三维可视化及重构。