5. AKWIZYCJA OBRAZU
5.1. Mikroskopia świetlna oraz badania makroskopowe
Techniki m ikroskopii św ietlnej stosow ane w m etalografii jakościow ej przedstaw iono w licznych pracach [m.in. 5, 6, 21, 58], Podstaw ow e znaczenie m a technika pola jasnego, ale w m ikroskopach m etalograficznych obserw acja struktury m ateriałów m oże być prow adzona rów nież przy użyciu:
• pola ciem nego,
• św iatła m onochrom atycznego,
• św iatła spolaryzow anego,
• kontrastu fazow ego,
• kontrastu N om arskiego.
U zyskanie pełnego obrazu struktury m ateriałów w ielofazow ych zaw ierających składniki o zbliżonych w łaściw ościach optycznych w ym aga często użycia kilku kom plem entarnych technik obserwacji.
R ów nież w m etalografii ilościowej najczęściej stosow ana je s t technika pola jasnego.
N atom iast spośród technik specjalnych najw iększe znaczenie m ają obserw acje w św ietle m onochrom atycznym oraz spolaryzow anym . O brazy struktury obserw ow ane na m ikroskopie św ietlnym są zazw yczaj rejestrow ane za p om ocą kam ery czarno-białej. Prow adzi to do utraty pewnej ilości inform acji o strukturze ujaw nionej za p om ocą traw ienia barw nego, co może znacznie utrudnić popraw ną detekcję w ystępujących w niej faz. Potw ierdzeniem tego są p rzedstaw ione na rys. 5.1 obrazy m ikrostruktury w ęglika spiekanego W C -(Ti,Ta)C-Co pokrytego m eto d ą naparow yw ania w arstew ką Z nSe zarejestrow ane za p o m o cą kam ery m onochrom atycznej z użyciem św iatła białego. B inaryzacja tego obrazu pozw ala na popraw ne ujaw nienie jed y n ie obszarów zajm ow anych przez w ęglik (Ti, Ta)C (rys. 5 .la).
D etekcja w ęglików W C (rys. 5 .Ib ) oraz ścieżki kobaltow ej (rys. 5.1 c) obarczona je s t n atom iast znacznym błędem . O braz struktury tej samej próbki zarejestrow any przy użyciu św iatła m onochrom atycznego o takiej długości, przy której refleksyjność analizow anej fazy osiąga m inim um , składa się z czarnych obszarów tej fazy na jasn y m tle. Pozw ala to na całko
w ite zautom atyzow anie procesu detekcji. N a rys. 5.2 przedstaw iono obrazy struktury, jakie uzyskano dla próbki w spom nianego w ęglika spiekanego W C -(Ti,Ta)C-C o prz^ zastosow aniu św iatła m onochrom atycznego o długości 436 nm (a), 520 nm (b) oraz 405 nm (c).
Rys. 5.1. Obraz struktury węglika spiekanego WC-(Ti,Ta)C-Co pokrytego w arstew ką interferencyjną ZnSe uzyskany za pom ocą techniki pola jasnego [6] w raz z wydetekowanymi przez autora rozprawy obszarami węglika (Ti.Ta)C (a), węglika WC (b) oraz ścieżki kobaltowej (c)
Fig. 5.1. Image o f structure of WC-(Ti,Ta)C-Co sintered carbide coated with ZnSe interference layer registered using brightfield technique [6] and detected areas of (Ti,Ta)C carbide (a), W C carbide (b) and cobalt path (c)
Rys. 5.2. Obrazy struktury w ęglika spiekanego W C-(Ti,Ta)C-Co przedstawionego na rys. 5.1 zarejestrowane w świetle monochromatycznym o długości 436 nm (a), 520 nm (b) oraz 405 nm (c) wraz z wydeteko
wanymi przez autora rozprawy obszarami węglika (Ti.Ta)C (a), węglika WC (b) oraz ścieżki kobaltowej (c)
Fig. 5.2. Image of structure of W C-(Ti,Ta)C-Co sintered Carbide shown in fig. 5.1 registered in monochromatic light of 436 nm length (a), 520 nm (b) and 405 nm (c) together with detected areas o f (Ti,Ta)C carbide(a), W C Carbide (b) and cobalt path (c)
T echnika św iatła spolaryzow anego m oże być szczególnie przydatna do ujaw niana struktury jednofazow ych m ateriałów anizotropow ych optycznie. N a obrazach struktury tych m ateriałów ziarna o tej samej orientacji krystalograficznej m ają ten sam poziom szarości.
Na pojedynczym obrazie nie są zazw yczaj w idoczne w szystkie granice, zatem uzyskanie pełnej inform acji o ich przebiegu w ym aga zarejestrow ania kilku obrazów przy różnych ustaw ieniach polaryzatora i analizatora (rys. 5.3).
Pierw szym etapem detekcji granic ziam je s t przekształcenie w yjściow ych obrazów za p o m o cą procedur g ra d ien t oraz negatyw (rozdział 6.2). Po tych przekształceniach granice ziam w idoczne są ja k o linie o różnej grubości i poziom ie szarości na jaśn iejszy m tle (rys. 5.3d-f). M inim a odpow iadających sobie (tj. m ających takie sam e w spółrzędne na tych obrazach) pikseli d ają w ieloodcieniow y obraz w szystkich granic w ystępujących w ocenianym obszarze zgładu (rys. 5.4a). Przekształcenie tego obrazu za p o m o cą p rocedur szczegółow o opisanych w pracy [W 38] pozw ala na p opraw ną detekcję granic obszarów jedn o ro d n y ch pod w zględem szarości (rys. 5.4b).
43
Rys. 5.3. Obrazy struktury stopu FeAl otrzymane w świetle spolaryzowanym przy różnym ustawieniu polaryzatora i analizatora (a-c) oraz te same obrazy po zastosowaniu procedur: gradient i negatyw (d-f) [W38]
Fig. 5.3. Images of FeAl alloy structure registered in polarized light at various polarizer and analyzer positions (a-c), the same images after gradient and inverse procedures (d-f) [W38]
Rys. 5.4. Końcowy obraz szary (a) oraz binarny (b) granic ziam występujących na wszystkich obrazach wyjściowych zamieszczonych na rys. 5.3a-c
Fig. 5.4. Final grey (a) and binary (b) images of grain boundaries occurring in every initial images presented in fig. 5.3a-c
Prezentow ana m etodyka została opracow ana dla stopów FeAl. M oże być jed n a k po niew ielkich m odyfikacjach w ykorzystana rów nież do rozw iązyw ania innych problem ów . W pracy [8] posłużyła do detekcji kolonii płytek fazy a w stopach tytanu. N a rys. 5.5 i 5.6 przedstaw iono efekt je j użycia do ujaw nienia granic ziarn w m akrostrukturze stopu REN E77.
Pełną inform ację o granicach ziarn w ystępujących w m akrostrukturze pierw szej próbki uzyskano na podstaw ie 6 obrazów w ieloodcieniow ych tego sam ego m iejsca zgładu otrzym anych za p om ocą techniki św iatła spolaryzow anego przy różnych położeniach polaryzatora i analizatora. Przy rejestracji obrazów m akrostruktury drugiej próbki zastoso
w ano natom iast skośne ośw ietlenie św iatłem białym padającym na pow ierzchnię zgładu za każdym razem z innej strony. D zięki tem u szczegóły m akrostruktury niew idoczne na jed n y m obrazie w yjściow ym ujaw niały się na innym (rys. 5.6a-c). Z adow alająca zgodność w ydetekow anych granic ziarn z ich rzeczyw istym przebiegiem (rys. 5.5c, 5.6e) św iadczy
o dużej skuteczności zaproponow anej m etodyki ujaw niania elem entów struktury na podstaw ie kilku w ieloodcieniow ych obrazów analizow anego obszaru zgładu.
Rys. 5.5. Jeden z obrazów wyjściowych makrostruktury stopu RENE77 otrzymanych za pom ocą techniki światła spolaryzowanego przy różnych ustawieniach polaryzatora i analizatora (a); końcowy obraz szary (b) oraz binarny (c) granic widocznych na wszystkich obrazach wyjściowych
Fig.5.5. One of initial images of microstructure o f RENE77 alloy registered in polarized light at various polarizer and analyzer positions (a), final grey (b) and binary (c) images o f grain boundaries occurring in all initial images (c)
Rys. 5.6. Obrazy makrostruktury stopu RENE77 uzyskane przy różnym położeniu źródła św iatła (a-c):
wieloodcieniowy (d) oraz binarny (e) obraz granic ziam występujących w badanej próbce
Fig: 5.6, Images of RENE77 alloy macrostructure registered at various positions o f light source(a-c), grey (d) and binary (e) images of grain boundaries occurring in the investigated sample
W ażna z punktu w idzenia m etalografii jakościow ej duża ilość inform acji zaw arta w obrazach struktury otrzym anych za p o m o cą technik specjalnych m ikroskopii św ietlnej m oże utrudnić popraw ną detekcję m ierzonych elem entów struktury.
N a rysunku 5.7 przedstaw iono obrazy m ikrostruktury stopu W aspaloy ujaw nione za p o m o cą techniki pola jasn eg o (a), pola ciem nego (b) oraz kontrastu N om arskiego (c).
K ażdy z obrazów zam ieszczonych na rys. 5.7 zaw iera różne inform acje o strukturze badanego stopu. D otyczy to w szczególności kontrastu N om arskiego. T echnika ta pozw ala na ujaw nienie niew ielkich naw et nierów ności na pow ierzchni zgładu, na obrazach zarejestro
w anych przy je j użyciu p o jaw iają się elem enty struktury niew idoczne lub słabo w idoczne w polu jasn y m (na rys. 5.7 są nim i granice bliźniaków ). Z jaw isko to je d n a k nie we w szystkich
45
przypadkach je s t pożądane. N iejednorodny poziom szarości poszczególnych ziam oraz obecność na obrazie granic bliźniaczych utrudnia np. praw idłow ą detekcją granic ziam . D ow odzi tego w artość w skaźnika zgodności WZ w ynosząca 0.10, która je s t znacznie niższa n iż w przypadku techniki pola jasnego (W Z=0.83) i ciem nego (W Z=0.61). R ów nież detekcja bliźniaków na tym obrazie, m im o że są one stosunkow o w yraźnie zarysow ane, nie daje zadow alających w yników .
Rys. 5.7. Obrazy struktury stopu W aspaloy [56] uzyskane przy użyciu techniki pola jasnego (a), pola ciemnego (b) oraz kontrastu Nomarskiego (c) wraz z wydetekowanymi przez autora rozprawy granicami ziarn Fig. 5.7. Images o f W aspaloy alloy structure [56] registered using brightfield (a), darkfield (b) and Nomarski (c)
techniques and detected by the author through binarisation of grain boundaries
Podobne w nioski w ynikają z porów nania przedstaw ionych na rys. 5.8 obrazów struktury stali ferrytyczno-perlitycznej otrzym ane przy użyciu techniki pola jasn eg o oraz kontrastu fazow ego. D etekcja kolonii perlitu na pierw szym z tych obrazów nie przedstaw ia żadnych problem ów . U jaw nione na drugim obrazie nierów ności oraz rysy na pow ierzchni zgładu pow odują, że naw et m anualna detekcja tych kolonii je s t praktycznie niem ożliw a.
Rys. 5.8. Obrazy tego samego fragmentu struktury stali ferrytyczno-perlitycznej uzyskane za pom ocą techniki pola jasnego (a) oraz kontrastu fazowego (b) [21]
Fig. 5.8. Images o f the same fragment of ferrtic-pearlitic steel structure registered using brightfield (a) and phase contrast (b) techniques
Przedstaw ione przykłady p o k azu ją niektóre tylko trudności, ja k ie m o g ą się pojaw ić przy próbie w ykorzystania do ilościow ej oceny struktury m etodam i kom puterow ym i obrazów uzyskanych za p o m o c ą technik specjalnych m ikroskopii św ietlnej. W m etalografii ilościowej do ujaw niania struktury najczęściej używ ana je s t w zw iązku z tym tech n ik a p o la jasnego.
Jedynym sposobem uzyskania na tak otrzym anych obrazach w ystarczającego kontrastu między m ierzonym i obiektam i a tłem je s t praw idłow o przeprow adzone traw ienie zgładu.