中瀛鑫：浅谈新一代便携式数字显微镜在工业4.0的应用

　　工业4.0是德国政府提出的愿景，描绘了制造业的未来发展，在信息时代发展之下迎来的第四次工业革命。它是虚拟世界与现实制造、互联网与物理世界相结合的先进制造技术CPS（Cyber Physics System)，即依托工业物联网、智能制造、实现大规模的高度个性化、定制化生产，实现从用户需求、到订单、到生产计划、到物料订购、配送、加工、质检、包装、和物流的全程自动化、智能化、透明化。随着工业4.0概念的提出，中国政府紧跟其步伐，颁布《中国制造2025》战略规划，推动新一代制造业-“互联网+制造业”在中国的落地。

　图1.工业4.0概念

　　在工业4.0中，有两个至关重要的技术，一个是连接和感知，对物理世界透彻的感知并通过互联网连接一切关联的人和物，另一个就是高度的智能化。中瀛鑫最新研发的新一代工业级便携式高清显微镜抓住时代契机，从工业感知的视觉入口，结合连接与智能化的技术优势以黑马之势进军工业4.0。

　　便携式高清显微镜的出现解决传统工业级显微镜价格昂贵、体积大，难于准确对焦，移动不方便的问题；为用户提供智能、轻便，融合完整的智能视觉分析、云存储、大数据分析方案，具有自动聚焦、300万高清分辨率、HDR、自动景深拓展功能以及三维重构功能，支持WIFI无线视频传输，支持手机、平板对图像进行观看、抓拍、录像、分析等特点，在工业4.0时代，可应用于工业检测、教学、医疗、刑侦、材料分析、科考研究等领域。下面，我们就以这款产品为例，浅析新一代便携式数字显微镜在工业4.0的应用。

　图2.中瀛鑫便携式数字显微镜

　　产品背景及技术特点

　　工业4.0最主要的特征就是连接与智能。连接就是依托互联网、物联网、将消费者、用户、与工厂、设备、资源无缝连接；智能就是高度智能化、依靠机器视觉、机器学习，自动形成生产方案、自动优化资源配置、自动高效生产，自动送达。在这些过程当中，视频感知，网络视频、与智能分析（深度学习）将起到非常重要的作用。

　　在视频感知，网络视频、与智能分析方面，中瀛鑫公司自主开发了完整的IVS（智能视频监控）的所有核心算法，包括复杂场景下的目标自动检测、跟踪、分类、识别、以及行为分析，前期的图像处理算法（3A，自动曝光、自动白平衡、自动聚焦），以及图像去噪、图像增强、去雾、图像拼接等等。多年来，中瀛鑫与德国卡尔蔡司合作开发的数字化显微镜，尤其是工业用的显微镜，用于产品的缺陷检测、零件的分拣，自动识别、配送等领域，具有非常强大的竞争优势。凭借多年与蔡司的合作，以及在工业生产领域累积的经验，中瀛鑫自主研发生产了新一代便携式数字显微镜，与蔡司光学共同发力工业4.0。

　　作为工业4.0概念的产物，新一代便携式数字显微镜旨在克服传统显微镜的缺点，如景深浅，便携性低，用途少，不可连接等，提高检测质量和效率。应用于工业4.0，其技术特点在于：

　　1．自动对焦，采用先进的变焦光学元件，内置马达，快速对焦；

　　2．大景深，可以对焦在表面形态有较大变化的目标，清晰成像；

　　3．高倍率，高分辨率，高级HDR功能，消除高亮高反光干扰，清晰成像细节，摆脱炫光困扰；

　图3.普通模式下金属样品成像图

　　图4.高级HDR模式下金属样品成像图

　　4．便携式设计，可全方位观测物体；

　　5．集观测、记录和测量于一身的系统；

　　6．自动化三维重构，一定范围内可以测量样品的表面起伏高度，实现高度的可视化；

图5.3D原貌图

　　图6.3D尺寸测量模拟图

　　7．支持WIFI无线连接，实现数据共享，简化通讯；

　　8．支持远程手机，电脑录像、观看、存储。

　　在工业检测领域的应用

　　数字显微镜应用于工业领域，可进行研发、质量控制、组装、检验和故障分析，通过展现最小的细节，帮助识别、记录，为工业进程提供数据基础，实现产品表面缺陷的自动检测。用于产品的缺陷检测、零件的分拣，自动识别、配送等领域，具有非常强大的竞争优势。

　　以纺织行业为例，可用于抽样检测和把控生产质量问题，主要依靠其大景深和自动对焦的技术特点，可进行目标样品的整体检验和细节放大检验，以快速检查瑕疵并清除，结合画面分割功能，可轻松比较不同样本的影像。大景深显微系统可以对焦在表面形态有较大变化的目标。内置马达快速自动对焦，成像效果好，速度快，即使在高放大倍率时，也能大幅缩短辨识和分析缺陷所需的时间。

　图7.纺织品表面状况

　　再以电池行业为例，可用于太阳能电池电极观测和电池外壳分析，主要依靠其自动三维重构的技术特点。中瀛鑫工业级便携式数字显微镜系统集观测、记录和测量于一体，结合自动化三维重构，可实现高度的可视化。二维成像，检测缺陷，然后快速量测并以三维影像描绘轮廓，轻松显示表面形貌。可用以评估电池电极以及如电池外壳等复杂的表面。自动三维重构，并使用轮廓、体积、角度等各种量测工具，进行定量分析，快速辨识和分析缺陷，把握质量控制。

　　图8.电池外壳分析

　　在医疗领域的应用

　　随着现代科学技术的不断深入发展，显微镜的应用技术也日趋广泛。中瀛鑫数字显微镜应用于医疗行业，自动对焦可快速成像，轻松实现最佳视野，300万高清分辨率，HDR功能可清晰成像检测细节，支持WIFI连接，可录制视频并传输至手机、电脑进行观看、抓拍、分析，轻松分享数据以简化通讯。不仅对医疗器械的检验提供了直观化的数据，也为医疗研究的开展提供了便利。

　　以导管检测为例，可用于检测细节和重构结构来确定质量。大景深可完整检测导管上的气囊，HDR功能可用于检测导丝的细节，深度合成功能可克服高倍率下的景深限制，拍摄完全对焦的二维图像并进行测量，同时自动三维重构以了解目标物的真正结构。

　图9.气囊检测

　　再以生物学研究为例，可用于检测皮层、毛发等生物结构的表面状况。便携式手握式设计可自由角度观察被测物体，高倍率查看细节结合深度合成功能，数秒内即可拍摄完全对焦的图像。可在对焦区域内完整看到包含关键信息的区域，以便全面分析。三维重构功能可清晰地看到毛发表面的形状，并生成三维结构，可彻底对毛发进行检查，也可直接进行测量，量化毛发上的曲线或沟。同时，可拍摄显微镜检测过程，轻松分享数据促进医疗研究。

图10.角膜上皮层检测

　　在刑侦领域的应用

　　随着社会和经济的快速发展，犯罪分子反侦查手段的科技含量也在不断提高，作案手段越来越呈现多样化、智能化、伪装、伪造现场、毁灭证物等问题日益突出。因此，现场取证及证物分析成为刑侦上至关重要的一部分。便携式电子显微镜应用于刑侦领域，其便携式设计，可录像保存，系统支持量化、分析和记录结果的特点，为后期分析提供数据基础，帮助快速侦破案件。

　　以现场取证为例，传统取证针对现场大型不可移动证物采取拍摄和记录的方式，而中瀛鑫数字显微镜便携式设计实现从日常实验室到实地采集，将显微镜带到现场进行证物录像，多角度清晰记录并实现即时传输，支持数据远程共享，快速分析。系统支持量化、分析和记录结果，也为后期证物分析提供准确、优质、正确和可重复的结果，提高了物证在刑事案件侦破中的利用价值。

　　结语

　　工业4.0的时代是一个能够整合最好的传感器、软件和技术的时代，把一个全球公司在世界各地的工厂都汇集到一个网络里，总部可以通过互联网实时看到每个工厂运行的情况，并通过高度的可视化、自动化来实现提高效率、降低能耗的目的。

　　从推动生产力这一角度来看，工业4.0的出现，是一种跨越式的演变；而从技术创新层面角度来看，这将是一次真正的工业“革命”。新一代便携式数字显微镜，以结合连接和感知以及智能化两大技术为切入口，在工业4.0时代将强势布局工业检测、教学、医疗、刑侦、材料分析、科考研究等行业，填补市场空白。

　　（本文作者单位：深圳市中瀛鑫科技股份有限公司）