Автоматизированная микроскопия крупных областей.

Имеется ли альтернатива автоматизированной микроскопии при изучении образцов большой площади? Ответ – да. Изображение тонкой плёнки с неплохим пространственным разрешением можно получить с помощью обычного сканера. На рис. 6 представлено изображение слоя углепластика. Пространственное разрешение современного сканера уже приближается к разрешению микроскопа. Типичное разрешение сканера равно 1200 пикселям на дюйм, что соответствует размеру 20 мкм. Однако в будущем разрешающая способность сканера, без сомнения, достигнет разрешения оптического микроскопа.

Компьютер и система анализа изображения позволяют строить панораму объекта большой площади объединением сотен (а в некоторых случаях и многих тысяч) изображений высокого разрешения, полученных при помощи оптического микроскопа отражённого света.

На рис. 7 показана система автоматизированного анализа образов, в которой монохромная камера установлена сверху на штативе микроскопа отражённого света. Монитор демонстрирует видеосигнал в режиме реального времени. Размер поля зрения зависит от увеличения окуляра и объектива. При использовании объектива с увеличением 20´ и окуляра с увеличением 6,7´ размер поля зрения равен приблизительно 150´150 мкм.

Быстродействующая видеокарта компьютера преобразует оптический сигнал в цифровое изображение. Это изображение сохраняется в памяти компьютера в формате, пригодном для применения цифровых методов обработки.

Для изучения больших площадей используется система автоматизированного сканирования по осям X и Y. Автофокусировка микроскопа осуществляется при помощи двигателя, перемещающего образец по оси Z до получения максимального контраста. Система автофокусировки обязательна для изучения больших площадей из-за ограниченной глубины резкости объектива и неидеальной ориентации поверхности образца. Фокусировку контролируют при помощи монитора.

В процессе развития систем автоматизированного анализа изображений конструкция микроскопа, компьютера и программное обеспечение сильно изменились. Однако следующие характеристики системы сохранились:

1) при получении каждого XY изображения производится автофокусировка;

2) для каждого кадра автоматически устанавливается порог интенсивности (чтобы учесть изменения контраста);

3) автоматически идентифицируются изображения волокон;

4) автоматически совмещаются изображения соседних кадров;

5) форма каждого волокна характеризуется «коэффициентом соответствия», учитывающим, насколько хорошо форма волокна соответствует эллипсу.

Перемещение по осям XY обычно осуществляют шаговыми двигателями, но в последнее время для этого начали применять и пьезодвигатели. Существуют три возможности контроля перемещения образца по осям X и Y при сканировании больших площадей:

1) наиболее дорогой метод состоит в контроле движения шагового мотора при помощи лазерного интерферометра, измеряющего абсолютные координаты;

2) менее дорогой метод состоит в совмещении изображения волокон на кадре высокого разрешения с теми же волокнами на следующем кадре (рис. 8) (эту методику нельзя использовать, если в области перекрывания вблизи края кадра отсутствуют особенности структуры, по которым можно однозначно определить каким образом осуществлять совмещение); рис. 9 иллюстрирует, как строится панорама детали большой площади из большого количества кадров;

3) метод состоит в создании «таблицы поиска» линейного перемещения для фиксированного набора импульсов шагового двигателя (этот метод предполагает, что сканирование всегда начинается из одной точки (X, Y), и после сканирования предметный столик возвращается в эту же точку, если же предметный столик оказывается случайно сбитым, оператор должен снова откалибровать его перемещение и создать новую таблицу поиска).

Наиболее существенное влияние на свойства композита (прочность при растяжении и сжатии, модуль упругости, теплопроводность и т.д.) оказывают концентрация и ориентация волокон. Ориентация волокон и другие характеристики структуры композита определяются технологией его производства. Оптимизация технологии может быть длительным процессом, включающим неоднократное производство детали и изучение ориентации волокон при различных технологических условиях. Прогресс компьютерной техники и методов моделирования позволяет теперь предсказывать ориентацию волокна без выполнения длительных и дорогостоящих экспериментов. Однако развитие компьютерных методов моделирования не устранило потребности в экспериментальном исследовании ориентации волокон. Напротив, количество исследователей, занимающихся компьютерным моделированием, постоянно возрастает, и потребность в экспериментальной проверке их результатов только увеличила необходимость в таких измерениях.

Количество волокон в детали может измеряться миллионами, и определить ориентацию всех волокон невозможно. Наиболее широко для изучения ориентации волокон в композиционных материалах используют оптический микроскоп отражённого света. На рис. 2 показана поверхность стеклопластика, подготовленная несколькими этапами полировки. Окисление матрицы повышает контраст волокон. Если волокно имеет цилиндрическую форму (что выполняется для большинства стеклянных волокон), на поперечном сечении оно имеет вид эллипса, большая ось которого определяется его ориентацией относительно плоскости сечения (рис. 10). Представление о степени разориентации волокон даёт само изображение при не очень высоких увеличениях. Однако для получения количественных данных требуется аккуратный анализ изображения.

Эллипс однозначно характеризуется координатами фокуса (x_c, y_c), длинами большой и малой осей a и b, а также углом между большой осью эллипса и осью координат j (рис. 11). Ориентация волокна в сферических координатах описывается углами j_i и q_I, которые можно определить из формы эллипса по формуле (1) и j_I =j.

Таким образом, задача определения ориентации волокна сводится к измерению длин осей и ориентации главной оси эллипса.

В последнее время проявлялся большой интерес к композитам, производимым методом литья под давлением. Анизотропия деталей, получаемых этим методом, практически не выражена из-за случайной ориентации волокон в расплаве. Для оптимизации процесса литья и ориентации волокон в нужных направлениях были разработаны новые технологические методы. Один из них состоит в многократной инжекции расплава. При этом материал постепенно упрочняется вследствие ориентации волокон. Чтобы оценить эффективность метода многократной инжекции, было изготовлено несколько образцов, один из которых сделали методом однократной инжекции расплава, а остальные – многократной инжекцией с различным количеством циклов. Все образцы разрезали одинаковым образом, после чего изучали распределение ориентации волокон. В каждом образце анализировали ориентацию приблизительно 100 000 волокон, на что требовалось четыре часа работы. Рис. 12 иллюстрирует изменение ориентации в двух образцах. Оказалось, что волокна ориентированы преимущественно в одной плоскости. Распределение ориентации волокон в образце, полученном однократной инжекцией расплава (рис. 12, а), демонстрирует центральную и две ориентированных поверхностные области, что типично для композитов, полученных литьём под давлением. Многократная инжекция расплава (рис. 12, b) увеличивает степень ориентации волокон, и после 9 циклов центральная зона становится узкой.

Следующий шаг состоит в переходе от анализа одиночной полированной поверхности к анализу последовательности сечений образца, что позволяет исследовать 3D-структуру композита. Изучение 3D-структуры композита путём объединения сотен или тысяч кадров требует много времени и терпения. Это можно сделать, получив последовательные оптические сечения материала, что позволяет получать изображение в режиме реального времени, и его можно использовать для изучения полупрозрачных материалов типа стеклопластика.

Например, таким методом исследовали 3D-структуру композита на основе 30 вес.% стеклянных волокон и термопластичной матрицы, показатель преломления которой близок к показателю преломления волокон. Для определения ориентации волокон в композит вводили 0,1 вес.% непрозрачных углеродных волокон. Микроскоп легко сфокусировать на углеродные волокна, находящиеся на различной глубине. Если перемещать объектив по оси Z, плоскость фокусировки перемещается вглубь образца. При этом плоскости оптического сечения гарантированно параллельны, что обеспечивает однозначное определение координат волокон. Пространственное разрешение этого метода равно нескольким микронам для осей X и Y и приблизительно 10 мкм для оси Z. Необходимость различия показателей преломления волокон и матрицы ограничивает диапазон материалов, которые можно исследовать этим методом. Рис. 13 иллюстрирует принцип работы этого метода. Прозрачное окно на боковой поверхности прессформы позволяет исследовать движение волокон и оценить ошибки измерения.

Таким образом, последовательным оптическим сечением можно получить тысячи плоских сечений, отстоящих друг от друга на десятки микрон, определить соответствующие области образца и построить 3D-структуру. Эту процедуру называют цифровым построением объёмного изображения.

Другим решением этой задачи является использование конфокального сканирующего лазерного микроскопа.