Nazwisko i imię Fajdek Sebastian		LABORATORIUM Z METALOZNAWSTWA
Temat ćwiczeń laboratoryjnych BUDOWA I DZIAŁANIE MIKROSKOPU METALOGRAFICZNEGO
Grupa, rok 23/II	Data 1997.11.04		Ocena	Podpis

1. BUDOWA I ZASTOSOWANIE MIKROSKOPU METALOGRAFICZNEGO.

Mikroskop metalograficzny pracuje na zasadzie wykorzystania światła odbitego od powierzchni zgładu. Tak więc w jego konstrukcji muszą być uwzględnione odpowiednie oświetlacze przekazujące światło ze źródła na powierzchnię obserwowanego zgładu. Mamy dwa rodzaje tych mikroskopów - typ odwrócony , w którym próbka znajduje się nad obiektywem oraz typ pracujący w układzie pionowym , gdzie próbkę umieszcza się pod obiektywem. W skład mikroskopu wchodzą przede wszystkim:

• oświetlacz, emitujący równoległą wiązkę promieni świetlnych

• pryzmat / pow. < 500x/ lub płytka szklana /pow. > 500x/ kierująca wiązkę na obiekt

• obiektyw, decydujący o zdolności rozdzielczej i powiększeniu użytecznym

• okular, skupiający wiązkę w oku obserwatora lub rozpraszający wiązkę na płaszczyźnie ekranu

• stolik preparacyjny , wyposażony w możliwość przesuwu w dwu kierunkach wzajemnie prostopadłych oraz w możliwość obrotu w płaszczyźnie poziomej

• kamera fotograficzna

próbka

obiektyw

przesłony

kolektor

żarówka

płytka

szklana

do okularu

Rys. 1. Schemat mikroskopu metalograficznego

Mikroskop metalograficzny cechują następujące parametry użytkowe:

Powiększenie całkowite

Stanowi iloczyn powiększenia własnego obiektywu i okularu z tym , że obiektyw posiada zdolność rozróżniania szczegółów w obserwowanym obiekcie , natomiast okular rozciąga tylko obraz utworzony przez obiektyw nie uwidaczniając nowych szczegółów (daje tzw. powiększenie puste).

Zdolność rozdzielcza δ

jest to najmniejsza odległość między dwoma punktami na próbce , które mogą być jeszcze rozróżnione przy obserwacji. Zależy ona od długości fali użytego promieniowania λ oraz tak zwanej numerycznej apartury A.

λ

δ = -------

A

gdzie:

A= n sin α

n - współczynnik załamania światła

α - połowa kąta rozwarcia utworzonego przez skrajne promienie wychodzące z określonego punktu próbki i objęte jeszcze przez soczewkę obiektywu

Wartość A wygrawerowana jest na obiektywie . Zdolność rozdzielczą można zwiększać zmniejszając λ i zwiększając A. Najmniejszą długość fali posiada promieniowanie niebieskie λ = 0,4 μm. Natomiast aparturę numeryczną można zwiększać zwiększając n przez stosowanie specjalnego obiektywu immersyjnego . Jest on przystosowany do obserwacji próbki przez warstwę cieczy immersyjnej (najczęściej olejku cedrowego mającego n = 1,515 lub wody z n=1,33) , która umieszcza się między próbką i soczewką obiektywu . Ciecz immersyjna zwiększa również jasność obrazu. Wartość 0,24 μm. stanowi granicę zdolności rozdzielczej możliwą do osiągnięcia na mikroskopach świetlnych.

Głębia ostrości

Następną ważną cechą obiektywu jest jego głębia ostrości g, przez co rozumiemy zakres odległości w kierunku osi optycznej obiektywu, w którym obserwowane szczegóły są ostre

71,5

g = ------------- (1 + 1/p) μm.

A p

gdzie: p- powiększenie.

Wynika stąd, że głębia ostrości jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalna do apertury numerycznej i całkowitego powiększenia. Przy A = 0,30 i p = 300 X,

g = 0,8 μm, natomiast stosując obiektyw A = 0,95 i p. = 1000 X, uzyskujemy niezwykle małą głębię ostrości, która wynosi tylko 75nm. To wyjaśnia poważne trudności wykonania ostrego zdjęcia przy dużym powiększeniu.

Kontrast obrazu

Istotną cechą mikroskopu jest kontrast uzyskiwanego obrazu. Zależy on w znacznym stopniu od sposobu oświetlenia powierzchni zgładu, a więc typu zastosowanego oświetlacza. Dlatego też nowoczesne mikroskopy mają możliwość łatwej wymiany oświetlaczy. Stosuje się dwa sposoby oświetlania powierzchni próbki: prostopadłe i ukośne. Z tych dwóch sposobów oświetlenia pierwszy daje słabsze oświetlenie próbki, gorszy kontrast, ale mniej zniekształca obraz i dlatego jest stosowany przy dużych powiększeniach. Pryzmat wykazuje przeciwne własności; jaśniej oświetla próbkę, polepsza kontrast, ale ze względu na zniekształcenia obrazu jest stosowany przy mniejszych powiększeniach.

2. CIEMNE POLE WIDZENIA

Ciemne oświetlenie to skrajny przypadek oświetlenia skośnego, przy którym następuje odbicie od powierzchni płaskich całkowicie poza obiektyw, wskutek czego na ciemnym tle obszarów płaskich drobne szczegóły zakrzywione są widziane jako jasne, albowiem rozpraszając światło przy odbiciu, kierują część promieni odbitych do obiektywu. Ponieważ zazwyczaj ten sposób realizuje się przez oświetlenie pierścieniem świetlnym o maksymalnej średnicy, konieczne jest otwarcie przysłony apertury i przysłony pola widzenia, a wprowadzenie na drogę wiązki, równoległej krążkowej przysłony ciemnego pola, wygaszającej środkową część wiązki. Pierścień świetlny skierowany pierścieniowymi zwierciadłami poprzez szczelinę na obwodzie obiektywu oświetla skośnie powierzchnię szlifu.

Ciemne pole widzenia pozwala na ujawnienie wszelkich wad powierzchni zgładu, jak rysy lub pory, a poza tym jest zalecane do badania wtrąceń niemetalicznych (np. tlenków i siarczków). Dodatkową zaletą ciemnego pola widzenia jest znaczne polepszenie kontrastu w porównaniu z jasnym polem.

Rys. 2. Oświetlacz do ciemnego pola widzenia: 1 - źródło swiatła, 2- soczewka, 3 - pierścień, 4 - pierścień-lustro, 5 - obiektyw, 6 - próbka

3. KONTRAST FAZOWY .

Jest on możliwy do osiągnięcia poprzez zastosowanie w budowie mikroskopu dwóch elementów :

a) w płaszczyźnie ogniskowej przedmiotowej kondensatora umiesza się przysłonę z pierścieniową szczeliną , która przepuszcza jedynie krążek światła .

w płaszczyźnie ogniskowej obrazowej obiektywu umieszcza się płytkę , na którą naniesiona jest cienka warstwa lakieru o kształcie pierścienia pokrywającego obraz szczeliny pierścieniowej . Grubość warstwy musi być dobrana bardzo dokładnie . Musi spełniać zadania:

• osłabia natężenie światła

• zmienia fazę światła o 90^o ( + 90^o - płytka dodatnia , - 90^o - płytka ujemna )

Osłabione i przesunięte w fazie promienie nieugięte interferują z ugiętymi , wskutek czego w mikroskopach obserwyje się kontrast obrazu w obszarach różniących się grubością . Przy zastosowaniu płytek dodatnich o dłuższej drodze światła obserwuje się jako ciemne a przy płytkach ujemnych te strefy są jasne.

Rys. 3. Schemat mikroskopu metalograficznego z kontrastem fazowym

4. WADY UKŁADÓW OPTYCZNYCH .

a) Aberacja chromatyczna - jest wadą soczewek polegającą na pojawianiu się barwnych obwódek na skutek rozszczepienia światła w materiale soczewek .

b) Aberacja sferyczna - jest wadą układów optycznych przejawiająca się w wytwarzaniu przez nie różnych obrazów ; homocentryczna wiązka promieni świetlnych po przejściu przez układ przestaje być wiązką homocentryczną .

---