普通顯微鏡在紡織領(lǐng)域的耐酸堿性和定性觀察的升級(jí)改造

文/高玉斌 易宏 陳啟賢

1 引言

顯微鏡觀察法是纖維成分的定性鑒別主要方法之一，而纖維成分含量檢測(cè)是紡織服裝產(chǎn)品檢驗(yàn)中的基礎(chǔ)項(xiàng)目，也是決定服裝使用性能的重要指標(biāo)。在《產(chǎn)品質(zhì)量法》第27條中明確要求“產(chǎn)品或包裝上的標(biāo)識(shí)必須真實(shí)”。因此，纖維成分含量標(biāo)識(shí)的正確與否尤為重要，顯微鏡的升級(jí)改造有助于纖維成分定性準(zhǔn)確性的提高，其中顯微鏡觀察法主要針對(duì)形態(tài)典型的天然纖維，化學(xué)溶解法主要針對(duì)化學(xué)溶解性能不同的化學(xué)纖維。根據(jù)FZ/T 01057《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第4部分：溶解法》的要求，為了能夠鑒別多組分的混紡產(chǎn)品，往往會(huì)在顯微鏡下滴入鹽酸、硝酸等試劑進(jìn)行定性觀察。

目前顯微鏡纖維成分鑒別過程中滴入酸試劑的這種方法的應(yīng)用存在較多不足。其一，化學(xué)試劑容易對(duì)檢驗(yàn)人員造成身體傷害；其二，對(duì)顯微鏡等檢測(cè)設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重；其三，漏檢風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)檢驗(yàn)人員的技術(shù)以及檢驗(yàn)的專注度要求較高。

考慮到纖維成分含量檢測(cè)的重要性和其龐大的市場(chǎng)需求以及滴入試劑這種化學(xué)溶解法定性鑒別的不足，有必要在現(xiàn)有的方法基礎(chǔ)上，開發(fā)一套在顯微鏡下觀察纖維樣品的視頻設(shè)備，在符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下優(yōu)化已有化學(xué)溶解法定性方法，以解決方法中存在的不足。

該研究是在現(xiàn)有纖維定性顯微鏡的基礎(chǔ)上的技術(shù)改進(jìn)，其主要目的是通過改造顯微鏡的載物臺(tái)和防酸堿外殼，使用耐酸堿材料，加裝微型抽風(fēng)系統(tǒng)，安裝視頻觀察設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)視頻觀察與記錄，提高檢驗(yàn)工作效率與檢測(cè)質(zhì)量。

2 顯微鏡的視頻定性觀察升級(jí)改造

2.1 視頻顯微鏡的優(yōu)勢(shì)介紹

視頻顯微鏡的主要優(yōu)勢(shì)： 傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡使用人數(shù)只局限于一個(gè)，要分享顯微鏡的影像很困難，觀察過程的重現(xiàn)性不好，而分享顯微鏡內(nèi)的影像，必須借助其他攝像工具的幫助。然而，視頻顯微鏡由于可以與電腦接駁，通過視頻系統(tǒng)能對(duì)纖維、紗線和織物的橫向和縱向進(jìn)行圖像采集和存儲(chǔ)， 能通過顯微鏡里的圖像采集和分析軟件獲取很多有價(jià)值的定性數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析， 使顯微鏡內(nèi)的視像可以通過網(wǎng)絡(luò)共享給其他人。視頻顯微鏡是一種高科技產(chǎn)品，結(jié)合了先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡技術(shù)、先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、高清液晶屏技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而且具有自動(dòng)錄像、圖像分析功能強(qiáng)、拓展性強(qiáng)等諸多特點(diǎn)[1]。 從而，我們可以對(duì)纖維定性等微觀領(lǐng)域的研究從傳統(tǒng)的普通的及時(shí)觀察到通過顯示器上和網(wǎng)絡(luò)上共享再現(xiàn)，從而提高纖維檢驗(yàn)過程的可追溯性和重現(xiàn)性，極大地提高工作效率。

2.2 視頻顯微鏡改造

2.2.1 光學(xué)系統(tǒng)的升級(jí)改造

普通顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)主要組成部位是目鏡和物鏡。 視頻顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)由無限遠(yuǎn)色差校正光學(xué)系統(tǒng)、多種倍數(shù)可選的物鏡、電荷耦合器件圖像傳感器CCD（下面簡(jiǎn)稱CCD）適配器等構(gòu)成。 這種光學(xué)系統(tǒng)的升級(jí)能提高圖像的分辨率，提高顏色的對(duì)比度，能切換不同倍數(shù)的物鏡頭來觀察， 提高纖維外表特征在顯微鏡放大后的辨識(shí)度，為檢驗(yàn)工作的可靠性提供保障。其中無限遠(yuǎn)色差校正光學(xué)系統(tǒng)允許引進(jìn)輔助解決方案，如微分干涉相差的棱鏡、偏振器和落射熒光光源，焦點(diǎn)和像差校正之間的光學(xué)路徑影響很少， 而普通顯微鏡目鏡只能做簡(jiǎn)單的圖像直接進(jìn)行光學(xué)放大[2]。 普通纖維只能用固定放大倍數(shù)的物鏡進(jìn)行光學(xué)放大，視頻顯微鏡能夠切換不同倍數(shù)和功能的物鏡進(jìn)行觀察。

2.2.2 工業(yè)數(shù)字相機(jī)的升級(jí)改造

顯微鏡加裝工業(yè)數(shù)字相機(jī)，普通的顯微鏡沒有相關(guān)設(shè)備。工業(yè)數(shù)字相機(jī)作為顯微鏡視覺系統(tǒng)中的核心部件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成小型高清工業(yè)相機(jī)為有序的電信號(hào)。工業(yè)數(shù)字相機(jī)的主要參數(shù)有分辨率、像素深度、最大幀率、像元尺寸等。 這次升級(jí)改造的工業(yè)相機(jī)參數(shù)（見表1）是市面上參數(shù)規(guī)格比較高的配置，能滿足纖維在微觀形態(tài)下的清晰觀察辨別。工業(yè)數(shù)字相機(jī)的圖像穩(wěn)定性很好，具有高傳輸能力和高抗干擾能力等。目前市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于CCD或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS（下面簡(jiǎn)稱CMOS）兩種芯片的相機(jī)。我們采用的是綜合性能更加優(yōu)秀的CMOS圖像傳感器。因?yàn)?，隨著超大規(guī)模集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。目前，CMOS圖像傳感器集成度高，功耗低，傳輸速度快，動(dòng)態(tài)范圍寬，已廣泛應(yīng)用于高分辨率和高速應(yīng)用。所以，選擇合適的相機(jī)也是顯微鏡設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，工業(yè)數(shù)字相機(jī)不僅是直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等， 同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。

表1 工業(yè)數(shù)字相機(jī)的參數(shù)

2.2.3 高清顯示器的升級(jí)改造

使用高清顯示器代替原來的目鏡或投影屏。市面上的高清顯示器的種類非常豐富，能根據(jù)工作需求進(jìn)行升級(jí)換代和性能拓展。從技術(shù)角度上來說，屏幕分辨率能夠達(dá)到720P以上的顯示器都可稱為高清顯示器。我們采用的高清顯示器有效分辨率是1920×1200，面板類采用的是IPS屏，面板的亮度達(dá)到350cd/m2以上。這種高清顯示器維護(hù)和更換成本低，在使用中能滿足纖維定性鑒別的要求。

2.2.4 圖像采集分析軟件的改造

圖像采集意味著對(duì)圖像進(jìn)行采樣，量化，轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，輸入并存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器中。圖像處理是指利用計(jì)算機(jī)分析圖像以實(shí)現(xiàn)期望結(jié)果的過程，也稱為圖像處理，通常涉及數(shù)字圖像處理。圖像采集處理系統(tǒng)和PC串行通信實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸，并在PC端實(shí)現(xiàn)圖像處理和顯示。

普通顯微鏡沒有圖像采集分析軟件，圖像采集分析系統(tǒng)見圖1。以前用普通顯微鏡進(jìn)行纖維定性鑒別過程只能一個(gè)人看，定性過程不能以圖像和視頻的格式保存下來，這不同人進(jìn)行纖維定性鑒別觀察的時(shí)候還要重新取樣去制作樣片再看顯微鏡，這樣的話大大增加了工作量。如果采用圖像采集分析軟件，就能把纖維定性鑒別觀察的整個(gè)過程完整地記錄下來，把圖片和錄像共享到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后隨時(shí)可以把儲(chǔ)存的圖片和錄像調(diào)出來看，大大減少了重復(fù)的工作量。

圖1 顯微鏡圖像采集分析系統(tǒng)

3 防酸堿系統(tǒng)的改造

3.1 儀器外殼的改造

在顯微鏡鑒別法中為了能夠鑒別多組分的混紡產(chǎn)品，往往會(huì)在顯微鏡下滴入鹽酸、硝酸等試劑進(jìn)行定性觀察。 這種鑒別過程中滴入酸試劑的方法存在較多不足。其一，化學(xué)試劑容易對(duì)檢驗(yàn)人員造成身體傷害； 其二，對(duì)顯微鏡等檢測(cè)設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重。 所以為了保護(hù)好儀器需要對(duì)顯微鏡進(jìn)行防腐蝕的改造。儀器的外殼采用聚四氟乙烯材料制作，而聚四氟乙烯材料一般稱作“不粘涂層”或“易清潔物料”。該材料耐酸和堿試劑，耐各種有機(jī)溶劑，幾乎不溶于所有溶劑，所以是用來制作儀器防酸堿外殼的優(yōu)良材料。使用這種材料的外殼能保證設(shè)備的持久穩(wěn)定使用。

3.2 濾酸系統(tǒng)的改造

普通的顯微鏡沒有濾酸系統(tǒng)，如果長(zhǎng)期在顯微鏡上操作滴加酸液到樣片上，會(huì)有酸氣和酸霧揮發(fā)出來，如果附著在儀器上很容易導(dǎo)致儀器生銹老化，如果氣體被人員吸入很容易導(dǎo)致對(duì)身體的傷害。

視頻顯微鏡中加入了獨(dú)有的凈化功能，針對(duì)檢測(cè)中產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行凈化，有效消除檢驗(yàn)中有害氣體對(duì)人員的傷害，獨(dú)有的干式酸霧凈化系統(tǒng)具有完全獨(dú)立密封性，可以保證凈化率，并消除了酸霧腐蝕產(chǎn)生對(duì)儀器使用壽命和人員的影響。

凈化系統(tǒng)中使用的是復(fù)合酸霧吸附劑，該復(fù)合型吸附劑可以同時(shí)凈化硫酸、硝酸、鹽酸、醋酸等各種酸氣和酸霧，它對(duì)酸氣的凈化是一個(gè)多功能的綜合作用，除了一般的物理吸附外，還有化學(xué)吸附、催化作用、化學(xué)反應(yīng)等，反應(yīng)后形成無害的鹽，可作為無害垃圾處理。

另外，在顯微鏡的清潔和維護(hù)中，要注意每個(gè)部件結(jié)構(gòu)的定期清潔和維護(hù)。為了確保顯微鏡得到很好的利用，從而延長(zhǎng)了顯微鏡的使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

本次顯微鏡的改造主要根據(jù)FZ/T 01057—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中“第3部分：顯微鏡法”“第4部分：溶解法”兩部分中定性鑒別方法進(jìn)行改造，采用先進(jìn)的在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)觀察纖維在不同試劑中的溶解性能。同時(shí)，本次改造還研究定性鑒別過程化學(xué)試劑對(duì)設(shè)備的腐蝕影響，采用耐腐蝕材料與抽風(fēng)系統(tǒng)減少試劑對(duì)設(shè)備和人員的影響。視頻顯微鏡結(jié)合一套應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程的數(shù)字化存儲(chǔ)，這樣就能讓一次定性過程共享給不同人來進(jìn)行定性鑒別，有效提高檢測(cè)過程質(zhì)量控制的水平。本次顯微鏡升級(jí)改造把單一功能的顯微鏡逐漸發(fā)展為多功能的大型緊密顯微鏡，并且能不斷拓展顯微鏡各種紡織品領(lǐng)域微觀檢測(cè)的功能。隨著圖片和數(shù)據(jù)的不斷存儲(chǔ)和積累，能通過計(jì)算機(jī)的信息化手段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，給纖維定性鑒別的自動(dòng)化提供可靠的數(shù)據(jù)來源。隨著信息科技的不斷發(fā)展，視頻顯微鏡在紡織領(lǐng)域測(cè)試分析和纖維鑒別將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。