Оптична система металографічного мікроскопа

Отже, до оптичної системи мікроскопа входять об’єктив, окуляр та деякі допоміжні елементи.

Об’єктиви в більшості сучасних світлових мікроскопах змінні та обираються у відповідності до умов досліджень. В залежності від конструкції мікроскопа, об’єктиви закріплюються по-різному (див. рис.1.9): по одному в тубусі (наприклад, в МИМ-7 – для зміни потрібно витягти один та вставити інший), або одразу декілька в револьверній насадці (наприклад, в ММР-2Р – для зміни необхідно повернути головку).

а б

Рисунок 1.9 – Типи закріплення об’єктивів в металографічних мікроскопах: а – МИМ-7, б – ММР-2Р.

Об’єктив мікроскопу є складною оптичною системою, яка містить фронтальну лінзу та набір внутрішніх лінз (див. рис. 1.10, а). Фронтальна лінза забезпечує побудову зображення, визначає робочу відстань й числову апертуру об’єктиву. Набір внутрішніх лінз дає необхідне збільшення, фокусну відстань, якість зображення, визначає висоту об’єктиву й довжину тубуса. Якість зображення, яке створює об’єктив залежить від складності його оптичної системи. Загальна кількість лінз в складному об’єктиві може доходити до 14.

За якістю об’єктиви розділяють на ахроматичні, апохроматичні та планоб’єктиви (об’єктиви плоского поля). Ахроматичні об’єктиви виправляють аберацію двох хвиль – червоного й фіолетового спектрів, окрім цього такі лінзи виправляють сферичну аберацію, кому, астигматизм та сферохроматичну аберацію. Маркуються вони буквами «Achr» (Achromat). Апохроматичні об’єктиви виправляють аберацію трьох хвиль, а також сферичну аберрацію, кому, астигматизм. Маркуються буквами «Аpo» (Аpochromat). Планоб’єктивиоснащені системою мікролінз, яка виправляє кривизну зображення, що забезпечує різке зображення об’єкта. Планоб’єктиви, які додатково виправляють хроматичні аберації, називають планахроматами або планапохроматами. Відповідно об’єктиви маркуються - Plan, Plan-Apo, Plan-Achr, Achroplan (див. рис. 1.10, б).

а

б в

Рисунок 1.10 – Об’єктив металографічного мікроскопу: а – типова оптична схема, , б – маркування об’єктиву загального призначення, в – об’єктиви для МИМ-7 та ММР-2Р.

Розглянемо детально параметри об’єктиву, що можуть бути позначені на ньому.

Окрім якості, ще одним з параметрів, які відображаються на об’єктиві мікроскопу є збільшення (див. рис. 1.10, б). Розрізняють об’єктиви: малих збільшень - до 10х, середніх - до 50х, великих – більш 50х, надвеликих – більше 100х.

За ступенем збільшення наводять числову апертуру об’єктиву (див. рис. 1.10, б-в). Розрізняють об’єктиви малих - до 0, 25, середніх - до 0,65 та великих числових апертур - більше 0,65. Також існують об’єктиви зі збільшеними числовими апертурами для корекції оптичних аберацій та спеціальних методів дослідження.

Наступний параметр, що зазначається на об’єктиві - довжина тубуса (див. рис. 1.10, б). Є два типа об’єктивів – для кінцевої довжини тубуса у 160 мм та об’єктиви скореговані на «безкінечність» (∞). В оптичній системі, що скоригована на безкінечність (infinitive), світло проходить від об’єкта крізь об’єктиви без формування проміжного зображення, а одразу формує зображення на екрані. Це дозволяє зменшити додаткові оптичні аберації.

Далі на об’єктиві позначають товщину покровного скла з яким потрібно працювати (див. рис. 1.10, б). Стандартне покровне скло - 0,17 мм, знаки 0 або « - » означають, що об’єктив може працювати як з покровним склом будь-якої товщини, так й взагалі без нього.

На об’єктиві обов’язково відображають тип імерсійності. Імерсійна рідина заповнює простір між предметним склом (об’єктом) та об’єктивом (див. рис. 1.11).

а б

Рисунок 1.11 – Схема ходу променів за умови застосування імерсійної рідини (а) та без неї (б).

Застосування імерсійної рідини збільшує числову апертуру, зменшує розсіяння світла. Імерсійною рідиною може бути дистильована вода, кедрова олія, гліцерин. На об’єктиві відповідно ставлять позначку: масляна імерсія (Оil), водна імерсія (W) або гліцеринова імерсія (Glyz).

Деякі параметри об’єктивів, що застосовуються в металографічних мікроскопах МИМ-7 та ММР-2Р наведено в табл. 1.1.

Таблиця 1.1 – Характеристики об’єктивів

Окуляри в металографічних мікроскопах застосовують трьох типів: звичайні (Гюйгенса), компенсаційні й проекційні. Звичайні окуляри застосовують при роботі з ахроматичними об’єктивами. Вони складаються з очної лінзи та двох плоско-опуклих лінз, опуклість яких направлена до об’єктиву, а між ними розташовується діафрагма (див. рис.1.12, б). Збільшення звичайних окулярів – до 15х.

Компенсаційні окуляри застосовують з апохроматичними об’єктивами та вони мають більш складну оптичну систему: одна з лінз зклеєна з двох — плоско-вогнутої й подвійновогнутої, друга — подвійновогнута. Збільшення компенсаційних окулярів – до 25х. Проекційні окуляри використовують для фотографування шліфів.

а б

Рисунок 1.12 – Зовнішній вигляд (а) та розріз (б) звичайних окулярів для металографічного мікроскопу.

Збільшення окуляру менше, ніж об’єктиву, й подбирається таким чином, щоб можна було достатньо чітко роздивитися зображення, що створюється об’єктивом. Якщо збільшення окуляру занадто мале, то деякі деталі структури які отримані об’єктивом, не будуть виявлені; в той же час при занадто великому збільшенні окуляра нові особливості структури не виявляються, а якість зображення погіршується та зменшується поле зору.

Деякі параметри окулярів наведені в табл. 1.2.

Таблиця 1.2 – Характеристики окулярів для візуального спостереження

В світловій мікроскопії використовують дві основних методики освітлення: світлого й темного поля. При світлопольній методиці світлі ділянки зображення формуються променями, що відбилися від поверхні об’єкту та потрапили в об’єктив. Темні ділянки в цьому випадку відповідають ділянкам поверхні, які відбили промені таким чином, що вони не потрапили в об’єктив (див. рис. 1.13).

а б

Рисунок 1.13 – Формування зображення поверхні зразка при світлопольній методиці освітлення: а – схема, б – поверхня мікрошліфа.

При темнопольному освітленні контраст зображення суттєво підвищується, оскільки перетворюється в протилежний по відношенню до методу світлого поля: світлі ділянки стають темними, а темні – світлими (див. рис. 1.14).

а б

Рисунок 1.14 – Зображення структури при світлопольному (а) та темнопольному (б) освітленні.

Світлопольне освітлення створюється при падінні пучка променів по нормалі к поверхні об’єкту, а темнопольне – шляхом створення пучка променів, що падають на об’єкт по конічній поверхні, вісь якої співпадає з нормаллю до поверхні об’єкту, а кут при вершині перевищує апертурний кут фронтальної лінзи об’єктива. Тоді світлові промені відбиваються в об’єктив не всією поверхнею зразка, а лише тими ділянками, які нахилені по відношенню до його поверхні. Інші ділянки будуть темними.

Тому дослідження в темному полі не характеризує структуру матеріалу повністю та є додатковим методом дослідження. Темнопольне зображення застосовують при вивчення мікроструктур, в яких є структурні елементи з різною розсіювальною здатністю

Контрастність зображення можна також підвищити, використовуючи косе освітлення, що досягається зміщенням апертурної діафрагми або джерела світла з оптичної вісі мікроскопу. Тоді нахилені ділянки виявляться більш світлими, а інша поверхня буде менше відбивати світло, порівняно з світлопольним освітленням. Косе освітлення доцільно використовувати при дослідженні рельєфних структур. Для його отримання освітлювач та апертурну діафрагму зміщують з оптичної вісі мікроскопу.

В деяких випадках об’єкт досліджують в поляризованому світлі. Для цього при світлопольному методі освітлення в хід падаючого пучка променів вставляють поляризатор, а в хід відбитого – аналізатор, площина поляризації якого може складати кут від 0 до 90° з площиною поляризації поляризатора. Якщо на поверхні об’єкту є ділянки, що по-різному повертають площину поляризації відбитих променів, то ці ділянки будуть мати різний контраст.

На рис. 1.15 наведено хід світлових променів в оптичній системі мікроскопу МИМ-7.

Рисунок 1.15 – Оптична схема мікроскопу МИМ-7 (а – хід променів при роботі в світлому полі, б – при роботі в темному полі): 1 — освітлювач; 2 — колектор; 3 — світловий фільтр; 4 — дзеркало; 5 — ахроматична лінза; 6 — апертурна діафрагма; 7 — поляризатор; 8 — фотозатвор; 9 — польова діафрагма; 10 — пентапризма; 11 — лінза світлого поля; 12 – зразок; 13 — об’єктив; 14 – відбиваюча пластина; 15 — аналізатор; 16 — ахроматична лінза; 17 — зеркало; 18 — окуляр; 19 — фотоокуляр; 20 — дзеркало; 21 — фотопластинка або матове скло; 22 — лінза темного поля; 23 — заслінка (вмикається при роботі в темному полі); 24 — кільцеве дзеркало; 25 — параболічне дзеркало.

При роботі мікроскопу в режимі світлого поля (див. рис.1.15, а), світлові промені від освітлювача 1 проходять крізь колектор 2 та світловий фільтр 3,а потім відбиваються від дзеркала 4та потрапляють на апертурну діафрагму 6 (для обмеження пучка світла та отримування високої якості зображення). Далі крізь фотозатвор 8 та польову діафрагму 9 (для обмеження освітлюваного поля зору на поверхні об’єкту) промені переломляються в пентапризмі 10та проходять крізь лінзу світлого поля 11. Після цього вони відбиваються від пластинки 14, проходять крізь об’єктив 13 та потрапляють на робочу поверхню зразка, що встановлений на предметному столику 12мікроскопу. Відбившись від зразка, промені знову проходять крізь об’єктив 13 й виходячи з нього паралельним пучком, потрапляють на відбиваючу пластинку 14 й ахроматичну лінзу 16.

При візуальному спостереженні в хід променів вводиться дзеркало 17, яке відхиляє їх в бік окуляра 18. При фотографуванні дзеркало 17 вимикається та промені направляються безпосередньо до фотоокуляру 19, а потім відбиваються від дзеркала 20 та потрапляють на фотопластинку 21.

При спостереженні зображення на екрані, фотопластинка замінюється на матове скло, де й можна спостерігати зображення.

Для спостереження в поляризованому світлі в систему включаються поляризатор 7 та аналізатор 15.

Для кращого зображення окремих дрібних рельєфних частинок на гладкому фоні (наприклад, при дослідженні неметалевих включень), як вказувалося вище, доцільно застосовувати темнопольне освітлення.

Оптична система мікроскопу для дослідження поверхні зразка в темному полі (див. рис. 1.15, б) відрізняється від описаної вище схеми для світлого поля тим, що замість лінзи 11 встановлюється лінза темного поля 22. Центральна частина однієї з поверхонь лінзи 22 покрита чорним непрозорим лаком у вигляді диску, який затримує центральну частину світлового пучка й пропускає лише периферичні промені, які падають на кільцеве дзеркало 24. Для того, щоб світлові промені гарантовано не потрапляли на відбиваючу пластинку 14, вводиться заслінка 23. Відбившись від дзеркала 24, промені потрапляють на внутрішню поверхню параболічного дзеркала 25 й потім концентруються на поверхні зразка. Подальший хід променів – аналогічний світлому полю.

Оптична схема мікроскопа ММР-2Р аналогічна, лише має деякі конструктивні відмінності (див. рис.1.16). Студентам пропонується опанувати хід променів в мікроскопі ММР-2Р самостійно, користуючись позначками під рис. 1.15. Позиції 1 – 17 застосовуються для формування світлопольного зображення при візуальному спостереженні, 18-19– для поляризованого світла, 20-22 – для темного поля, 23-27 – при спостереженні зображення на екрані, 28-30 – при фотографуванні.

Рисунок 1.16 – Оптична схема мікроскопу ММР-2Р: 1 — освітлювач; 2 — колектор; 3 — призма; 4 — апертурна діафрагма; 5 — тепловий фільтр; 6 — світловий фільтр; 7 — ахроматична лінза; 8 — дзеркало; 9 — лінза світлого поля; 10 — напівпрозора пластина; 11 — польова діафрагма; 12 – об’єктив; 13 — ахроматична лінза; 14 – відбиваюча пластина; 15 — призма; 16 — розділяючі призми; 17 — бінокулярна насадка; 18 — поляризатор; 19 — аналізатор; 20 — лінза темного поля; 21 — кільцеве дзеркало; 22 — параболічне дзеркало; 23 — екран; 24 — телеоб’єктив; 25 — фотоокуляр; 26, 27 — дзеркала; 28 — призма фототубуса; 29 — фотопластинка; 30 - фотоплівка

В представлених мікроскопах параболічне дзеркало для формування темнопольного зображення вбудоване в корпус об’єктива (див. рис. 1.17).

а б

Рисунок 1.17 – Об’єктив мікроскопу: а – фронтальне зображення, б – протилежний бік.

1.3.2 Вибір оптики, підготовка мікроскопа до роботи, рекомендована послідовність виконання мікроструктурних досліджень

Для правильного вибору об’єктиву та окуляру для проведення мікроструктурних досліджень, необхідно виконати три кроки. По-перше, визначити необхідне доцільне збільшення. По-друге, знайти значення числової апертури об’єктиву та обрати з наявних той, числова апертура якого задовольняє умовам. По-третє, знайти необхідне збільшення окуляра.

Окрім величини розподільної здатності якість зображення мікроструктури визначається глибиною різкості, яскравістю, контрастністю зображення.

Глибина різкості – здатність приладу давати сфокусоване зображення виступів та впадин на поверхні об’єкту одночасно. Вона залежить від характеристик об’єктиву (оборотно пропорційна його числовій апертурі Ай прямо пропорційна фокусній відстані f_об) та від розкриття апертурної діафрагми.

Контрастність зображення характеризується відношенням різниці яскравостей об’єкту й фона до їх суми. Вона залежить від якості підготовки об’єкту, розкриття польової діафрагми, способу освітлення, світла, що використовується та інших спеціальних способів підсилення контрасту.

Яскравість зображення визначається (окрім конструктивних особливостей мікроскопу) інтенсивністю світлового потоку від освітлювача та розкриттям апертурної діафрагми.

З всього вищесказаного виходить, що всі три параметра якості зображення можуть регулюватися шляхом налаштування апертурної та польової діафрагми й вибором способу освітлення.

При налаштуванні апертурної діафрагми необхідно кольорову окантовку, що виникає за рахунок хроматизму колекторної лінзи вивести за межі отвору діафрагми. При налаштуванні польової діафрагми необхідно розкрити її так, щоб її зображення співпало з полем зору окуляру, або трохи перекривало його.

Після того як оптика підібрана й встановлена в мікроскоп, а діафрагми налаштовані, на предметному столику закріплюють підготовлений мікрошліф, вмикають освітлювач та за допомогою макро- та мікрогвинтів фокусують зображення.

Рекомендується така послідовність при дослідженні мікроструктури зразка:

1. Підготовлений мікрошліф необхідно роздивитися при невеликому збільшенні мікроскопа (×70–100) для того, щоб мати уявлення про однорідність його структури та обрати ділянки для подальшого детального дослідження. Для цього макрометричним гвинтом предметний столик піднімають до упора та вставляють в ілюмінаторний тубус обраний об’єктив. В тубус вставляють обраний окуляр.

2. Дослідження при середніх (~×400) та великих (~×800) збільшеннях виконують після ретельного налаштування апертурної й польової діафрагм та виборі об’єктиву застосовуючи режим світлого поля.

Внаслідок того, що при зростанні збільшення мікроскопа величина поля зору скорочується, то для отримання достовірної інформації дослідження структури потрібно виконувати в декількох полях зору (5-10 різних). Це особливо важливо, якщо попередній аналіз виявив неоднорідності будови зразка. Для зручності підбору необхідної оптики, в табл. 1.3 наведені збільшення мікроскопу, які будуть забезпечуватися при використанні відповідного комплекту «об’єктив – окуляр».

Таблиця 1.3 – Збільшення мікроскопа та поле зору в площині об’єкту при візуальному спостереженні

3. Для підсилення контрасту зображення та виявлення дрібних деталей структури використовують спеціальні методи світлової мікроскопії – темнопольного освітлення, поляризованого чи косого освітлення, тощо.

4.Для прибирання з зображення всіх кольорів, що виникають внаслідок нескоригованості об’єктива, застосовують жовто-зелений світлофільтр. Максимальну контрастність зображення забезпечує світлофільтр, колір якого доповнює колір поверхні зразка. Фокусування мікроскопу потрібно виконувати з тим світлофільтром, з яким буде досліджуватися мікроструктура.

5. Фотографування мікроструктури виконують як в окремих полях зору, так й панорамним методом, коли окремі поля перекриваються. Перед фотографуванням необхідно перевірити рівномірність освітлення поля та точність фокусування зображення на екрані чи в фотокамері.