普通顯微鏡在紡織領域的耐酸堿性和定性觀察的升級改造

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是紡織服裝產品檢驗中的基礎項目，也是決定服裝使用性能的重要指標。在《產品質量法》第27條中明確要求“產品或包裝上的標識必須真實”。因此，纖維成分含量標識的正確與否尤為重要，顯微鏡的升級改造有助于纖維成分定性準確性的提高，其中顯微鏡觀察法主要針對形態典型的天然纖維，化學溶解法主要針對化學溶解性能不同的化學纖維。根據FZ/T 01057《紡織纖維鑒別試驗方法 第4部分：溶解法》的要求，為了能夠鑒別多組分的混紡產品，往往會在顯微鏡下滴入鹽酸、硝酸等試劑進行定性觀察。

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用存在較多不足。其一，化學試劑容易對檢驗人員造成身體傷害；其二，對顯微鏡等檢測設備的腐蝕嚴重；其三，漏檢風險高，對檢驗人員的技術以及檢驗的專注度要求較高。

考慮到纖維成分含量檢測的重要性和其龐大的市場需求以及滴入試劑這種化學溶解法定性鑒別的不足，有必要在現有的方法基礎上，開發一套在顯微鏡下觀察纖維樣品的視頻設備，在符合相關標準的前提下優化已有化學溶解法定性方法，以解決方法中存在的不足。

該研究是在現有纖維定性顯微鏡的基礎上的技術改進，其主要目的是通過改造顯微鏡的載物臺和防酸堿外殼，使用耐酸堿材料，加裝微型抽風系統，安裝視頻觀察設備，以實現視頻觀察與記錄，提高檢驗工作效率與檢測質量。

2 顯微鏡的視頻定性觀察升級改造

2.1 視頻顯微鏡的優勢介紹

視頻顯微鏡的主要優勢： 傳統的光學顯微鏡使用人數只局限于一個，要分享顯微鏡的影像很困難，觀察過程的重現性不好，而分享顯微鏡內的影像，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，通過視頻系統能對纖維、紗線和織物的橫向和縱向進行圖像采集和存儲， 能通過顯微鏡里的圖像采集和分析軟件獲取很多有價值的定性數據進行大數據分析， 使顯微鏡內的視像可以通過網絡共享給其他人。視頻顯微鏡是一種高科技產品，結合了先進的光學顯微鏡技術、先進的光電轉換技術、高清液晶屏技術和網絡技術，而且具有自動錄像、圖像分析功能強、拓展性強等諸多特點[1]。 從而，我們可以對纖維定性等微觀領域的研究從傳統的普通的及時觀察到通過顯示器上和網絡上共享再現，從而提高纖維檢驗過程的可追溯性和重現性，極大地提高工作效率。

2.2 視頻顯微鏡改造

2.2.1 光學系統的升級改造

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

2.2.2 工業數字相機的升級改造

顯微鏡加裝工業數字相機，普通的顯微鏡沒有相關設備。工業數字相機作為顯微鏡視覺系統中的核心部件，其最本質的功能就是將光信號轉變成小型高清工業相機為有序的電信號。工業數字相機的主要參數有分辨率、像素深度、最大幀率、像元尺寸等。 這次升級改造的工業相機參數（見表1）是市面上參數規格比較高的配置，能滿足纖維在微觀形態下的清晰觀察辨別。工業數字相機的圖像穩定性很好，具有高傳輸能力和高抗干擾能力等。目前市面上工業相機大多是基于CCD或互補金屬氧化物半導體CMOS（下面簡稱CMOS）兩種芯片的相機。我們采用的是綜合性能更加優秀的CMOS圖像傳感器。因為，隨著超大規模集成電路制造工藝技術的發展，CMOS圖像傳感器得到迅速發展。目前，CMOS圖像傳感器集成度高，功耗低，傳輸速度快，動態范圍寬，已廣泛應用于高分辨率和高速應用。所以，選擇合適的相機也是顯微鏡設計中的關鍵，工業數字相機不僅是直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質量等， 同時也與整個系統的運行模式直接相關。

表1 工業數字相機的參數

2.2.3 高清顯示器的升級改造

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，能根據工作需求進行升級換代和性能拓展。從技術角度上來說，屏幕分辨率能夠達到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，面板的亮度達到350cd/m2以上。這種高清顯示器維護和更換成本低，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

圖像采集意味著對圖像進行采樣，量化，轉換為數字圖像，輸入并存儲在幀存儲器中。圖像處理是指利用計算機分析圖像以實現期望結果的過程，也稱為圖像處理，通常涉及數字圖像處理。圖像采集處理系統和PC串行通信實現圖像數據傳輸，并在PC端實現圖像處理和顯示。

普通顯微鏡沒有圖像采集分析軟件，圖像采集分析系統見圖1。以前用普通顯微鏡進行纖維定性鑒別過程只能一個人看，定性過程不能以圖像和視頻的格式保存下來，這不同人進行纖維定性鑒別觀察的時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過程完整地記錄下來，把圖片和錄像共享到系統網絡后隨時可以把儲存的圖片和錄像調出來看，大大減少了重復的工作量。

圖1 顯微鏡圖像采集分析系統

3 防酸堿系統的改造

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品，往往會在顯微鏡下滴入鹽酸、硝酸等試劑進行定性觀察。 這種鑒別過程中滴入酸試劑的方法存在較多不足。其一，化學試劑容易對檢驗人員造成身體傷害； 其二，對顯微鏡等檢測設備的腐蝕嚴重。 所以為了保護好儀器需要對顯微鏡進行防腐蝕的改造。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良材料。使用這種材料的外殼能保證設備的持久穩定使用。

3.2 濾酸系統的改造

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

視頻顯微鏡中加入了獨有的凈化功能，針對檢測中產生的有害氣體進行凈化，有效消除檢驗中有害氣體對人員的傷害，獨有的干式酸霧凈化系統具有完全獨立密封性，可以保證凈化率，并消除了酸霧腐蝕產生對儀器使用壽命和人員的影響。

凈化系統中使用的是復合酸霧吸附劑，該復合型吸附劑可以同時凈化硫酸、硝酸、鹽酸、醋酸等各種酸氣和酸霧，它對酸氣的凈化是一個多功能的綜合作用，除了一般的物理吸附外，還有化學吸附、催化作用、化學反應等，反應后形成無害的鹽，可作為無害垃圾處理。

另外，在顯微鏡的清潔和維護中，要注意每個部件結構的定期清潔和維護。為了確保顯微鏡得到很好的利用，從而延長了顯微鏡的使用壽命。

4 結語

本次顯微鏡的改造主要根據FZ/T 01057—2007《紡織纖維鑒別試驗方法》標準中“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行改造，采用先進的在線視頻監控系統，動態觀察纖維在不同試劑中的溶解性能。同時，本次改造還研究定性鑒別過程化學試劑對設備的腐蝕影響，采用耐腐蝕材料與抽風系統減少試劑對設備和人員的影響。視頻顯微鏡結合一套應用軟件，實現檢測過程的數字化存儲，這樣就能讓一次定性過程共享給不同人來進行定性鑒別，有效提高檢測過程質量控制的水平。本次顯微鏡升級改造把單一功能的顯微鏡逐漸發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域微觀檢測的功能。隨著圖片和數據的不斷存儲和積累，能通過計算機的信息化手段進行數據分析，給纖維定性鑒別的自動化提供可靠的數據來源。隨著信息科技的不斷發展，視頻顯微鏡在紡織領域測試分析和纖維鑒別將會得到更廣泛的應用。