Układ optyczny mikroskopu świetlnego

Mikroskop metalograficzny tym różni się od biologicznego, że 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. Jest to typ odwrócony, w którym próbka znajduje się nad obiektywem, ale w powszechnym użyciu są również mikroskopy pracujące w układzie pionowym, gdzie próbkę umieszcza się pod obiektywem. Zasadniczymi częściami mikroskopu są: źródło światła wraz z oświetlaczem, obiektyw, okular i kamera fotograficzna.

Mikroskop metalograficzny cechują następujące parametry użytkowe:

• powiększenie całkowite

Powiększenie całkowite stanowi iloczyn powiększenia własnego obiektywu i okularu, z tym że obiektyw ma zdolność rozróżniania szczegółów w obser­wowanym obiekcie, natomiast okular rozciąga tylko obraz utworzony przez obiektyw, nie uwidaczniając nowych szczegółów. Daje więc tzw. powiększenie puste. Podobnie powiększalnik nie jest zdolny ujawnić szczegółów na fotografii, jeżeli nie są one zarejestrowane na negatywie.

- zdolność rozdzielcza

Drugą ważną cechą mikroskopu (a właściwie obiektywu, gdyż każdy mikroskop ma szereg obiektywów do wymiany) jest jego zdolność rozdzielcza δ. Rozumiemy przez to najmniejszą odległość między dwoma punktami na próbce, które mogą być jeszcze rozróżnione przy obserwacji. Zależy ona od długości fali użytego promieniowania λ oraz tzw. numerycznej apertury A

A = n sin α

gdzie: n - współczynnik załamania światła, α - połowa kąta rozwarcia utworzonego przez

skrajne promienie wychodzące z określonego punktu próbki i objęte jeszcze przez soczewkę

obiektywu.

Maksymalny kąt 2α = 144°, a więc sin α_max = 0,95. Ponieważ w powietrzu n = 1, to A = sin α. Wartość ta jest wygrawerowana na każdym obiektywie. Przy znajomości A_max można wyliczyć maksymalną zdolność rozdzielczą (δ_min), gdyż

δ =

a więc jest odwrotnie proporcjonalna do apertury. Zdolność rozdzielczą można zwiększać, zmniejszając λ i zwiększając A. Najmniejszą długość fali ma promie­niowanie niebieskie λ = 0,4 μm. Natomiast aperturę numeryczną można zwięk­szyć, zwiększając n przez stosowanie specjalnego obiektywu imersyjnego. Jest on przystosowany do obserwacji próbki poprzez warstwę cieczy imersyjnej (najczęściej olejku cedrowego mającego n = 1,515 lub wody z n = 1,33), którą umieszcza się między próbką i soczewką obiektywu. Ciecz imersyjna zwiększa jasność obrazu.

Ponieważ A_max = 1,66

δ_min =
= 0,24 μm

Wartość ta stanowi granicę zdolności rozdzielczej możliwą do osiągnięcia w mikroskopach świetlnych.

Do każdego obiektywu powinien być dobrany odpowiedni okular, tak aby całkowite powiększenie (mikroskopu) mieściło się w zakresie 500-1000A.

• 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

g =
μm

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 75 nm. To wyjaśnia poważne trudności w wykonaniu ostrego zdjęcia przy dużym powięk­szeniu.

• kontrast

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. Prostopadłe daje mniejszy kontrast niż ukośne, gdyż to ostatnie powoduje powstawanie cieni, które nadają obrazowi plastyczność. Oświetlenie prostopadłe następuje za pomocą szklanej płytki umieszczonej pod kątem 45- do osi optycznej obiektywu i oświetlonej z boku źródłem światła. Taki sam efekt uzyskuje się przez wprowadzenie pryzmatu z kątem łamiącym 45°. Z tych dwóch sposobów oświetlenia pierwszy daje słabsze oświetlenie próbki i 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 zniekształcenie obrazu jest stosowany przy mniejszych powiększeniach.

W niektórych przypadkach lepsze rezultaty daje obserwacja w tzw. ciem­nym polu widzenia. W tym przypadku widoczny jest obraz będący jakby negatywem obrazu w jasnym polu widzenia, otrzymanego za pomocą prostopad­łego oświetlenia.

Podstawowe wady odwzorowania optycznego i sposoby ich korygowania.

Podstawowymi wadami odwzorowywania chromatycznego są:

- aberracja chromatyczna,

• aberacja sferyczna.

Aberracja chromatyczna jest wynikiem dyspersji światła. Przy użyciu prostych soczewek promienie świetlne o różnej długości fali ogniskują się w różnych punktach. Wskutek tego obraz jest nieostry i ma barwne obwódki.

Nieostrość obrazu może być też spowodowana aberracją sferyczną. Aberacja sferyczna polega na tym, że promienie świetlne, padające na peryferyjne części soczewki, nie ogniskują się w tym samym punkcie z promieniami biegnącymi w pobliżu jej osi.

Wymienione wady można zmniejszyć stosując soczewki korekcyjne o odpowiednim kształcie i wykonane ze szkieł o różnych współczynnikach załamania światła. Zależnie od stopnia usuwania tych wad rozróżnia się obiektywy a­chromatyczne i apochromatyczne.

Obiektywy achromatyczne mają usunięta aberację chromatyczną w zakresie światła zielonego i czerwonego, a aberację sferyczną w zakresie światła żółtozielonego. Ze względu na ograniczony zakres korekcji obiektywy te nie dają poprawnego obrazu struktur kolorowych. Pracują dość dobrze, jeśli nie stosuje się filtru niebieskiego.

Obiektywy apochromatyczne są skorygowane na aberację chromatyczną w zakresie światła czerwonego, zielonego i fioletowego, a korekcja aberacji sferycznej, jest przeprowadzona w zakresie światła zielonego i fioletowego. Wymagają one stosowania światła białego z filtrem żółtozielonym luń światła niebieskiego. Mają one mniejszą głębię ostrości w porównaniu z obiektywami achromatycznymi. Nadają się szczególnie do fotografowania struktur metali. Współpracują, z okularami homal.

Obiektywy planachromatyczne są skorygowane podobnie jak achromaty oraz dodatkowo na krzywiznę pola. Właściwości ich są szczególnie korzystne przy mikrofotografii.

Okulary są korygowane podobnie jak obiektywy. Okulary Huyghensa mają zastosowanie do obiektywów achromatycznych o małej lub średniej aperturze.

Okulary Ramdsena są podobne do okularów Huyghensa - maja nieco większą aberację chromatyczną.

Okulary homal - stosowane w mikrofotografii, wyrównują aberację sferycz­ną i usuwają astygmatyzm. Dają, w połączeniu z obiektem apochromatycznym, zupełnie płaski obraz.

Okulary ortoskopowe - częściowo wyrównują aberację sferyczną oraz chromatyczną. Stosowane są do obserwacji w połączeniu ze wszystkimi obiektywami.

Okulary kompensacyjne - wyrównują aberację sferyczną obiektów chromatycznych. Można je używać do fotografowania.

Planokulary - wyrównują aberację sferyczną apochromatów. W oznaczeniu okularu podaje się typ okularu, np. K (kompensacyjny) i krotność powiększenia, np. 15x.

3

---