Temat: Budowa i działanie mikroskopu metalograficznego

Budowa mikroskopu i jego zdolność rozdzielcza.

Mikroskop złożony jest z dwu zbierających zespołów soczewek, umieszczonych na końcach rury zwanej tubusem. Zespół soczewek, zazwyczaj o krótkiej ogniskowej, zwrócony do przedmiotu nazywa się obiektywem, drugi zaś, przez który dokonuje się obserwacji, nosi nazwę okularu. Obiektyw tworzy wewnątrz tubusa rzeczywisty, powiększony i odwrócony obraz, który ogląda się za pomocą okularu. Wskutek istnienia obydwu zespołów obserwuje się pozorny, powiększony i prosty obraz. Całkowite powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia obiektywu i okularu.

Do optycznego wyposażenia mikroskopu należy również urządzenie oświetlające, od którego zależy jasność, ostrość i kontrastowość obrazu. Na jakość obrazu wpływa także dokładność prostopadłego ustawienia stolika względem osi optycznej tubusa mikroskopu. W tym celu zespoły te mocowane są na sztywnym statywie, który jest wyposażony w mechaniczne elementy regulacyjne oraz urządzenia służące do łatwej wymiany obiektywów oraz regulacji oświetlenia.

Powiększenie mikroskopu jest, jak powiedziano, iloczynem powiększenia obiektywu i okularu. Na podstawie tego stwierdzenia można by błędnie wnioskować, że przez odpowiedni dobór obiektywu i okularu otrzyma się dowolnie duże powiększenie. W rzeczywistości jednak rozmiary szczegółu, które można obserwować za pomocą mikroskopu, są nie mniejsze od pewnych określonych wartości, ograniczonych falowym charakterem światła.

Najmniejsza odległość dwóch punktów, które można jeszcze rozróżnić z użyciem danego mikroskopu, nosi nazwę zdolności rozdzielczej. Zachodzi przy tym związek:

w którym: n - współczynnik załamania światła ( szkła optycznego ),

- kąt zmiany kierunku promienia

- długość fali świetlnej,

d - zdolność rozdzielcza

Dla zmniejszenia zdolności rozdzielczej mikroskopu pomiędzy zgład i obiektyw wprowadza się kroplę przezroczystej cieczy, tzw. cieczy imersyjnej, o bardzo dużym współczynniku załamania n światła (jest to zazwyczaj olej cedrowy). Zwiększenie wartości n powoduje zmniejszenie d, zgodnie z podanym uprzednio wzorem:

Wartość A = n sin = n sin /2 nosi nazwę apertury A, która jest wielkością charakteryzującą dany obiektyw. Im większa apertura A, tym mniejsze szczegóły można rozróżniać w obrazie mikroskopowym.

Zmianę powiększenia mikroskopu można otrzymać przez zmianą obiektywu lub okularu, zmianę odległości aparatu fotograficznego (w przypadku fotografowania obiektu) lub też przez zmianę położenia ekranu (w przypadku projekcji). Wzrostowi powiększenia powinien jednak towarzyszyć wzrost liczby szczegółów w obserwowanym obrazie. Tak uzyskana powiększenie określa się mianem powiększenia użytecznego.

Obiektyw i okular.

Układy optyczne zwykle są obarczone wadami odwzorowania obrazu przedmiotu. Obiektyw i okular mikroskopu są najbardziej wrażliwe na wady aberracji sferycznej i chromatycznej. Aberracja sferyczna jest wadą układu optycznego polegającą na tym, że promienie przecinają się nie w jednym punkcie, lecz na pewnym obszarze. Powoduje ona, że uzyskany obraz ma niejednakową ostrość w swoim centrum i na brzegach. Aberracja chromatyczna jest spowodowana rozszczepieniem wiązki białego światła po przejściu przez soczewkę, wskutek czego otrzymany obraz składa się z wielu nie pokrywających się ze sobą różnobarwnych obrazów. Wady te kompensuje się stosując układy kilku soczewek wykonanych z różnych gatunków szkła, o różnych krzywiznach. Obiektywy wykonuje się o powiększeniu własnym 5 120 x. Wielkości charakterystyczne obiektywu ( rodzaj obiektywu, apertura oraz powiększenie własne ) są zazwyczaj podawane na oprawie.

W badaniach metalograficznych stosuje się zazwyczaj obiektywy suche do pracy w powietrzu ( n = 1 ); do dużych powiększeń są używane obiektywy immersyjne. W obiektywach suchych największa apertura wynosi A = 1,4. Okulary w mikroskopach służą nie tylko do powiększania obrazu utworzonego przez obiektyw, lecz także korygują jego błędy optyczne. Okulary o najprostszej budowie składają się z dwu płasko wypukłych soczewek, pomiędzy którymi jest umieszczona kołowa przesłona. Są to okulary Huyghensa. Stosuje się je najczęściej do obserwacji bezpośredniej. Okulary Huyghensa nie korygują wad optycznych obiektywu i dlatego dawany przez nie obraz jest ostry tylko w środku, brzegi zaś rozmyte. Wady te są korygowane przez układy bardziej złożone.

Urządzenia oświetlające.

W mikroskopach metalograficznych urządzenie oświetlające składa się z silnego źródła światła oraz odpowiedniego układu optycznego, doprowadzającego światło do miejsca obserwowanego. Jako źródło światła najczęściej stosuje się nisko woltową żarówkę ze ściśle zwiniętymi włóknami, tworzącymi prawie punktowe źródło. Stosuje się także inne rodzaje lamp, np. łukowe, rtęciowe itp. Promienie wychodzące ze źródła światła skupia się za pomocą kondensora na otworze układu oświetlającego. Oświetlacz kieruje promienie światła na dany przedmiot przez obiektyw - za pośrednictwem płytki szklanej lub pryzmatu. Promienie świetlne padające na płytkę szklaną półprzezroczystą , nachyloną pod kątem 45^o, częściowo przez nią przechodzą, częściowo się od niej odbijają i przez obiektyw docierają do powierzchni zgładu . Po odbiciu się od tej powierzchni promienie ponownie przechodzą przez obiektyw, a następnie są kierowane przez pryzmat do okularu, skąd docierają do oka obserwatora. Zastosowanie pryzmatu daje obraz jaśniejszy i bardziej kontrastowy, lecz zdolność rozdzielcza obiektywu jest mniejsza, ponieważ pryzmat przysłania połowę jego otworu czynnego.

Opisane układy umożliwiają obserwację przedmiotu w tzw. jasnym polu widzenia. Przy skośnym skierowaniu promieni na powierzchnię zgładu można obserwować w tzw. ciemnym polu widzenia. Otrzymany w ten sposób obraz jest jak gdyby negatywem obrazu w polu jasnym. Przy tym sposobie oświetlacz kieruje promienie ukośnie poza obiektywem; do obiektywu trafiają więc tylko promienie odbite, te, które na swej drodze spotkały szczegóły rozpraszające światło, jak granice ziarn , wydzieleń, wtrąceń, rysy itp. Inne płaszczyzny dają obraz ciemniejszy. Środkowa część cylindrycznej wiązki promieni jest przysłonięta kołową przesłoną. Wiązka promieni po odbiciu od pierścieniowego zwierciadła biegnie poza obiektywem, załamuje się w zwierciadle parabolicznym i pada skośnie na powierzchnię zgładu . Obserwacje w ciemnym polu widzenia przeprowadza się dla wydobycia szczegółów niewidocznych w polu jasnym. Wyznaczanie powiększenia na matówce mikroskopu.

W celu wyznaczenia wartości powiększenia uzyskiwanego na matówce mikroskopu w miejsce badanej próbki wstawia się podziałkę mikrometryczną ( zwykle jest to 1 mm podzielony na 100 części ). Otrzymany na matówce obraz tej podziałki należy dokładnie zmierzyć, tj. wyznaczyć np. odległość między dwiema sąsiednimi kreskami. Uzyskaną wartość należy podzielić przez 0,01 mm; otrzymany wynik jest wartością powiększenia uzyskiwanego na matówce.

Uwaga: zwykle w celu zwiększenia dokładności pomiaru powiększenia mierzy się odległość między skrajnymi kreskami widocznymi na ekranie; otrzymany wynik dzieli się wówczas przez liczbę działek. Podobnie przy fotografowaniu otrzymanych obrazów rozmiary poszczególnych wad można określić przez porównanie fotografii wady z fotografią podziałki mikrometrycznej, wykonaną w tych samych warunkach.