磨粒三維表面形貌獲取技術(shù)的研究

1、 第27卷第7期2005年7月武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol. 27No. 7J ul. 2005磨粒三維表面形貌獲取技術(shù)的研究袁成清1, 嚴(yán)新平1, 彭中笑2(1. 武漢理工大學(xué)可靠性工程研究所, 武漢430063;2. 詹姆斯庫克大學(xué)工程學(xué)院, 湯斯維爾4811摘要:在磨粒分析研究領(lǐng)域, 磨粒二維特征研究已經(jīng)比較成熟, 但是根據(jù)二維圖像無法準(zhǔn)確獲取磨粒表面的三維形貌信息, 磨粒的三維圖像能給研究者提供更完全更豐富的信息, 因此, 開展磨粒的三維表面形貌研究具有重要意義。欲開展磨粒的三維研究, 首要的難題是磨

2、粒表面高度數(shù)據(jù)的獲取。激光共焦掃描顯微鏡(CL SM 及其圖像處理技術(shù)的發(fā)展為獲取磨粒的三維表面信息提供了契機(jī)。研究開發(fā)了基于Bio 2rad Radiance 2000激光共焦顯微鏡的磨粒三維表面形貌獲取技術(shù), 結(jié)果表明具有良好的應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞:磨粒; 三維表面形貌; 激光共焦掃描顯微鏡中圖分類號(hào):TH 117. 1文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A ( 0720088203Study on the Acquisition of of Wear Debrisng N Xi n 2pi ng , PEN G Zhong 2xiaoCook University , Townsville Qld 4811, Au

3、stralia 112(1. Reliability , of Technology , Wuhan 430063,China ;2. School of Engineering ,Abstract :Three 2dimensional surface topography image of wear debris contains more detailed surface information compared with two 2dimensional image of wear debris. Therefore , it is crucial to conduct wear de

4、bris analysis based on 3D surface topogra 2phy of wear debris. The development of a high quality confocal laser scanning microscope (CL SM combined with image pro 2cessing techniques makes it easy to gain appropriate 3D surface information of wear particles on a micro scale. This project was to deve

5、lop a set of software to acquire appropriate 3D surface topography of wear particles using Bio 2rad Radiance 2000confocal laser scanning microscope. Application examples on wear particles have been presented in the paper to demonstrate that the method developed in this study can be used to gain appr

6、opriate 3D surface topography.K ey w ords :wear debris ; 3D surface topography ; confocal laser scanning microscopy磨粒是磨損的產(chǎn)物, 含有大量的關(guān)于材料摩擦、磨損的信息, 其數(shù)量、大小、形狀、顏色、形貌及結(jié)構(gòu)特征等與磨粒產(chǎn)生時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)以及材料的磨損方式密切相關(guān), 是較容易獲得的能夠反映摩擦學(xué)系統(tǒng)時(shí)變特征的系統(tǒng)輸出變量1,2。因此, 對磨粒進(jìn)行分析是確定摩擦副系統(tǒng)特性的主要內(nèi)容之一。當(dāng)前, 在磨粒分析研究領(lǐng)域, 磨粒二維特征研究比較成熟。從鐵譜技術(shù)、光譜技術(shù)至電子顯微鏡分析, 從

7、磨粒的定性分析到磨粒二維圖像的定量分析, 國內(nèi)外在這一領(lǐng)域所取得的巨大成功使人們充分認(rèn)識(shí)到了磨粒信息在磨損表面評(píng)估中的重要作用2。但是, 目前僅僅根據(jù)磨粒的二維形態(tài)特征分析磨粒的表面形貌, 誤差很大, 磨粒的三維圖像能給研究者提供更完全更豐富的信息, 使得磨粒的精確描述成為可能。近些年來, 一些先進(jìn)的表面輪廓儀和其它的一些較新型的設(shè)備如原子力顯微鏡都可以用來得到表面的三維形貌, 并由此得到表面的粗糙度參數(shù)描述。但是使用這些設(shè)備來獲得磨粒的三維形貌十分困難。由于磨粒的小尺寸(微米級(jí) 和不規(guī)則性, 表收稿日期:2005204215.基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(50275111 .作者簡介:袁成清(

8、19762 , 男, 博士生. E 2mail :ycqmail.whut. edu. cn 第27卷第7期袁成清, 等:磨粒三維表面形貌獲取技術(shù)的研究89面輪廓儀對此無能為力; 盡管原子力顯微鏡具有直達(dá)納米級(jí)的高分辨率, 但是同掃描電子顯微鏡一樣, 使用原子力顯微鏡也很難得到準(zhǔn)確的磨粒邊界定義。然而, 高質(zhì)量的激光共焦掃描顯微鏡(CL SM 3及其圖像處理技術(shù)的發(fā)展為這方面的研究提供了契機(jī), 使得得到精確的磨粒表面高度信息和磨粒邊界定義成為可能4。研究如何用Bio 2rad Radiance 2000激光共焦掃描顯微鏡來獲得磨粒表面的三維高度信息, 以及如何實(shí)現(xiàn)磨粒表面的三維可視化及重構(gòu)。1

9、激光共焦掃描顯微鏡的原理激光共焦掃描顯微鏡, 是近年來快速發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。1957年Minsky 5就提出了共焦顯微鏡技術(shù)的某些基本原理, 并獲得了美國專利。激光共焦掃描顯微鏡采用共軛焦點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行成像, 采用相干性很好的激光作為激發(fā)光源。光源、被測樣品及探測器處在彼此對應(yīng)的共軛位置上, 激光束從光源針孔射出, 經(jīng)過分光鏡, 再由掃描透鏡聚焦于樣品表面, 對樣品內(nèi)焦平面上每一點(diǎn)進(jìn)行掃描, 然后, 激發(fā)出的熒光或者反射的激光束經(jīng)由入射光路直接返回到分光鏡, 經(jīng)分光鏡折射和探測透鏡聚焦后, 透過探測針孔(detector pinhole 由光電倍增管(photo multiplier 探測收

10、集, 并將信號(hào)采集輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行成像。如圖1所示, 在此過程中, 只有來自樣品焦平面上的光才能在探測針孔平面正確聚焦, 從而穿過探測針孔而成像; 光線在探測針孔處是離焦的, 被探測針孔濾除, 測收集。因此, 用激光共焦掃描顯微鏡觀察表面時(shí), 像, , 把物體分為若干光學(xué)斷層, 逐層掃描成像, 。激光共焦掃描顯微鏡是迄2用激光共焦掃描顯微鏡掃描樣品表面時(shí), 首先選定激光共焦顯微鏡步進(jìn)電機(jī)的步長, 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡的載物臺(tái)做Z 軸的上下移動(dòng), 樣品表面在Z 軸方向上被切成固定間隔的多層圖像, 即光學(xué)切割, 然后借助于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)將這些一層一層的圖像融合作三維重構(gòu), 即可獲得三維表面形貌。

11、2. 1高度編碼圖像的獲得用激光共焦掃描顯微鏡掃描試樣表面時(shí)得到的是一層一層的二維灰度圖像, 圖像與圖像在Z 軸方向上的間隔為選定的步長, 如圖2所示。用激光共焦掃描顯微鏡掃描獲取這些二維斷層圖像時(shí), 獲得的這些圖像不可避免地存在噪聲, 為了獲得高質(zhì)量的三維表面形貌, 首先須對采集到的這些斷層圖像進(jìn)行一系列的預(yù)處理, 主要是圖像平滑和圖像增強(qiáng)。圖像平滑是去除圖像中的干擾, 特別是由于種種原因而摻雜在圖像中的噪聲; 而圖像增強(qiáng)是增強(qiáng)圖像有用信息, 在此研究中的具體目標(biāo)是將共焦面圖像和背景圖像拉開, 進(jìn)一步突出斷層圖像信息 。用圖像平滑和圖像增強(qiáng)預(yù)處理這些層掃描圖像后, 將這些圖像存入一個(gè)圖像堆棧

12、中, 按掃描順序排序, 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)2005年7月90然后用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來形成一個(gè)包含三維信息的高度編碼圖像(Height Encoded Image , 簡稱HEI 。形成HEI 的具體方法如下(見圖2 :假設(shè)總共有T 個(gè)二維斷層掃描圖像, 二維層掃描圖像的尺寸為M ×N , 用(X i , Y j , Z k (i =1M , j =1N , k =1T 來表示圖像空間中的像素點(diǎn)坐標(biāo), f (X i , Y j , Z k 為像素點(diǎn)的亮度值, 對每一個(gè)像素點(diǎn)(X i , Y j 在Z 軸(Z 1, Z 2, , Z k -1, Z k , Z k +1, , Z T 中

13、找出該像素點(diǎn)在所有斷層掃描圖像中的最大亮度值, 記下該最大亮度值所在的掃描層數(shù), 對二維平面圖像上的每一個(gè)點(diǎn)完成上述操作后, 則得到所有像素點(diǎn)所對應(yīng)的最大亮度值所在的掃描層數(shù), 將這些掃描層數(shù)值寫入一個(gè)灰度圖像, 便得到一個(gè)高度編碼圖像, 該高度編碼圖象包含表面形貌的三維高度信息, 圖3是用上述方法得到的一個(gè)疲勞磨損磨粒的高度編碼圖像。2. 2磨粒三維表面形貌可視化對于工程表面, 得到高度編碼圖像后, 用高度編碼圖像乘上步長, 就可得到真實(shí)的三維表面高度信息, 然后用圖像處理技術(shù)即可重構(gòu)出工程表面的三維形貌圖像。但對于磨粒表面, 為了得到三維表面形貌, 還需要精確的磨粒邊界定義。在激光共焦掃描

14、顯微鏡上關(guān)閉入射光, 只用透射光便能得到磨粒的背景圖像, 此背景圖像顯示清晰的磨粒邊界定義, 圖4(a 是圖3所示的疲勞磨損磨粒的背景圖像。將數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)技術(shù)用來處理得到的磨粒背景圖像, 得到清晰的用0和1表示的磨粒背景二值化圖像, 圖4(b 是用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法二值化處理圖3所示的疲勞磨損磨粒的例子。得到該二值化圖像后, 將二值化圖像與得到的高度編碼圖像做乘運(yùn)算, 得到一個(gè)新的編碼圖像, 如圖4(c 所示, , 即得到精確的磨粒三維高度數(shù)據(jù), 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步運(yùn)用圖像處理技術(shù), 。圖5顯示的是用上述方法獲得的幾種典型磨粒的三維表面形貌, 其中圖5(a 是正常磨損磨粒, 圖5(b 是圖4所示的疲勞

15、磨損磨粒, 圖5(c , 表面形貌后 , 征。3結(jié)語研究了如何用激光共焦掃描顯微鏡方法結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來獲得磨粒的三維表面形貌, 結(jié)果表明, 運(yùn)用所研究的方法能獲得精確的磨粒三維表面形貌, 應(yīng)用效果良好。參考文獻(xiàn)1嚴(yán)新平, 謝友柏, 李曉峰, 等. 一種柴油機(jī)磨損的預(yù)測模型與試驗(yàn)研究J.摩擦學(xué)學(xué)報(bào),1996,16(41 :358366.2Toms L A. Machinery Oil Analysis 2methods , Automation &BenefitsM .2nd Edition. Virginia Beach :Coastal Skills Train 2ing , 1998.3Pawley J B. Handbook of Biological Confocal MicroscopyM .2