Wydział Metali Nieżelaznych
Inżynieria Materiałowa
Rok III
Mikro- i makroskopowe obserwacje struktury
Piotr Janik
Wstęp:
Mikroskop optyczny, przyrząd optyczny służący do uzyskiwania silnie powiększonych obrazów małych przedmiotów. Zasadniczo zbudowany jest z tubusu zawierającego na swoich końcach okular i obiektyw (oba działające jak soczewki skupiające). Ponadto mikroskop optyczny posiada układ oświetlenia preparatu (kondensor) i stolik preparatowy (czasami wyposażony w mikromanipulator).
Obiektyw mikroskopu optycznego daje rzeczywisty, odwrócony i powiększony obraz przedmiotu, okular pełni rolę lupy, przez którą ogląda się obraz dawany przez obiektyw. Obraz oglądany w okularze jest obrazem pozornym i silnie powiększonym, powiększenie kątowe mikroskopu optycznego wyraża się wzorem: w=(xD)/(fF), gdzie x - długość rury tubusa, D - odległość dobrego widzenia (250 mm), f i F odpowiednio: ogniskowa obiektywu i okularu. Przy znanych oddzielnie powiększeniach okularu i obiektywu powiększenie mikroskopu optycznego jest iloczynem tych powiększeń. W praktyce stosuje się powiększenia od kilkudziesięcio- do ponad tysiąckrotnych.
Najlepsze mikroskopy optyczne pozwalają dostrzegać szczegóły przedmiotu o rozmiarach kilkuset nm. Dalszy wzrost zdolności rozdzielczej jest ograniczony długością fali światła, pewne poprawienie zdolności rozdzielczej można uzyskać konstruując mikroskop optyczny do obserwacji w nadfiolecie (tzw. mikroskopy ultrafioletowe). Jasność obrazu mikroskopu optycznego jest proporcjonalna do rozwartości kąta wiązki wchodzącej do obiektywu (tzw. apertura wejściowa mikroskopu optycznego, imersyjny obiektyw mikroskopu).
W konstrukcji obiektywu pożądane jest też uzyskanie jak najmniejszej ogniskowej, oba te czynniki powodują, że bieg promieni daleki jest od biegu promieni przyosiowych, stąd poważnym problemem przy wykonywaniu obiektywów mikroskopowych jest usunięcie powstających wad optycznych (aberracje układów optycznych). W tym celu jako obiektywy stosuje się skomplikowane, wielosoczewkowe układy optyczne (najprostszy z nich, tzw. obiektyw aplanatyczny Amiciego, posiada 6 soczewek). Jako okular stosuje się układ Huygensa (rzadziej Ramsdena).
Często używane są mikroskopy stereoskopowe, będące układem dwóch prawie równoległych mikroskopów optycznych, lub mikroskopy wyposażone w tzw. binokular (dwuoczny okular). Możliwe jest też stosowanie różnych specjalistycznych nakładek okularowych umożliwiających fotografowanie lub odrysowywanie obserwowanych przedmiotów.
Podczas pracy z mikroskopem mamy do czynienia z powiększeniem.
Rozróżniamy trzy rodzaje powiększeń:
Powiększenie użyteczne - jest to powiększenie które daje nam obiektyw
Powiększenie puste - jest to powiększenie które daje nam okular
Powiększenie całkowite - jest to suma powiększeń z obiektywu i okularu
Parametry mikroskopu optycznego
Głębia ostrości (dawniej "głębokość ostrości") - parametr stosowany w optyce i fotografii do określania zakresu odległości, w którym obiekty obserwowane przez urządzenie optyczne sprawiają wrażenie ostrych. Z punktu widzenia fizycznego, niezerowa głębia ostrości nie istnieje. Pojęcie stosowane w optyce wywodzi się jednak z fizjologii postrzegania: przyjmuje się, że poniżej pewnej wielkości plamkę widzimy jako punkt, więc pewien rejon obserwowanej przez dany układ optyczny przestrzeni trójwymiarowej będzie wydawał się ostry. W fotografii, to samo zjawisko wynika z ograniczeń technicznych medium rejestrującego obraz: rozmiaru ziarna błony filmowej lub pikseli sensora.
Duża głębia ostrości zapewnia ostrość większości elementów na zdjęciu, natomiast mała głębia ostrości (czyli precyzyjne ustawienie i nieostre tło) bywa wielce pożądana przy zdjęciach portretowych i artystycznych, ponieważ wyodrębnia fotografowany obiekt na tle otoczenia.
Na zakres głębi ostrości mają wpływ następujące czynniki:
przysłona - im mniejszy otwór względny jest pozostawiony (czyli: czym wyższa liczba przysłony, np. 16 lub 22), tym większa głębia;
odległość na jaką ustawiona jest ostrość obiektywu (odległość między przedmiotem a aparatem) - im odległość ta jest mniejsza, tym głębia ostrości również.
ogniskowa
rozdzielczość i wielkość sensora/filmu
Rozdzielcza zdolność obrazu, wielkość charakteryzująca zdolność układu optycznego do odtwarzania szczegółów obserwowanego obiektu. Zdolność rozdzielczą obrazu ograniczają zjawiska dyfrakcyjne (oprócz niedoskonałości układu optycznego, lecz te można doskonalić).
Zgodnie z kryteriami podanymi przez J.W.S. Rayleigha, w przypadku lunety (teleskopu) o doskonałym układzie optycznym zdolność rozdzielcza obrazu wynosi 140"/D, gdzie: D - średnica obiektywu w mm, dla mikroskopu zaś 0,61λ/A, gdzie: λ - długość fali światła (w angstremach), A - apertura numeryczna w przestrzeni obrazu.
W przypadku obrazu fotograficznego mocniej niż zjawiska dyfrakcyjne (dyfrakcja fal) zdolność rozdzielczą obrazu limituje ziarnistość błony fotograficznej.
Apertura jest to efektywna średnica otworu instrumentu optycznego (np. teleskopu, lunety) przez który wpada światło, lub też soczewki lub lustra zapoczątkowującego dany układ optyczny, mierzona jako rozwartość układu czyli jako kąt pomiędzy promieniami świetlnymi wpadającymi do układu z najbardziej odmiennych kierunków. Apertura wzrasta ze średnicą układu a maleje z jego długością. Im większa apertura układu, tym czulszy instrument.
Metody obserwacji mikroskopowych:
Ze względu na warunki oświetlenia preparatu wyróżnia się kilka metod obserwacji mikroskopowych:
a) metoda obserwacji jasnego pola w świetle przechodzącym (preparaty częściowo pochłaniające światło, np. przezroczyste, ale zabarwione),
b) metoda obserwacji ciemnego pola w świetle przechodzącym (preparaty przezroczyste niebarwione, wykorzystane jest tylko światło rozproszone),
c) metoda obserwacji ciemnego pola w świetle odbitym (preparaty nieprzezroczyste, wykorzystuje się światło rozproszone),
d) metoda kontrastu fazowego (do obserwacji przedmiotów przezroczystych i bezbarwnych, zastosowanie specjalnego układu optycznego ujawnia różnice w drogach optycznych różnych promieni,
e) metoda interferencyjna (obserwacja interferencji światła przechodzącego przez przezroczysty preparat).
Obserwacja w jasnym polu
Preparat oświetlony jest wiązką prostopadłą do jego powierzchni (oświetlacz Becka - półprzeźroczysta płytka szklana ustawiona pod kątem 45° do osi optycznej obiektywu). Obraz jest płaski z ostrymi i wąskimi konturami szczegółów.
Zalety:
Pełne wykorzystanie apertury obiektywu i tym samym zdolności rozdzielczej.
Wady:
Duże straty światła na płytce półprzeźroczystej zmniejszają jasność i kontrast.
Konieczność używania silnych źródeł światła np. lampy rtęciowej lub ksenonowej.
Preparat oświetlony jest wiązką skośną do jego powierzchni (oświetlacz Nacheta - zamiast płytki szklanej pryzmat). Obraz jest bardziej plastyczny i kontrastowy.
Zalety:
Znacznie jaśniejszy obraz niż przy oświetlaczu Becka.
Wady:
Pogorszenie zdolności rozdzielczej mikroskopu ponieważ jest wykorzystana tylko połowa apertury obiektywu.
Obserwacja w ciemnym polu
Preparat oświetlony jest wiązką skośną do jego powierzchni (oświetlacz wykonany z pierścienia szklanego ustawiony pod kątem 45° do osi optycznej obiektywu). Uzyskuje się efekt czarnego tła obrazu, na którym pojawiają się jasne kontury nierówności, których powierzchnia nie jest prostopadła do głównej osi optycznej obiektywu.
Zaletą tego sposobu obserwacji jest maksymalne wykorzystanie apertury obiektywu co zapewnia wykorzystanie pełnej zdolności rozdzielczej. Stosuje się głównie do identyfikacji wtrąceń niemetalicznych. Jednak barwę wydzieleń można oceniać tylko przy oświetleniu preparatu światłem białym.
Obserwacja przy pomocy światła spolaryzowanego
Polaryzacja to zjawisko polegające na uporządkowaniu płaszczyzny drgań wektora
Występowanie zjawiska polaryzacji dla światła dowodzi, że światło jest falą poprzeczną.
Światło można spolaryzować, przepuszczając je przez specjalne substancje zwane polaryzatorami, przez odbicie od powierzchni dielektryka lub przez tzw. podwójne załamanie w kryształach dwójłomnych.
W mikroskopach polaryzacyjnych między okularem i źródłem światła znajdują się dwa filtry polaryzacyjne. Jeden z nich jest nazywany polaryzatorem i znajduje się między źródłem światła i analizowaną próbką, a drugi jest nazywany analizatorem i znajduje się między próbką a tubusem. Polaryzator i analizator przepuszczają tylko tę część światła, która ma ściśle określoną polaryzację. W trakcie obserwacji są one skręcone względem siebie o 90° (są skrzyżowane), co powoduje, że jeśli próbka nie skręca kąta polaryzacji światła, to nie może ono przejść przez cały układ. Jeśli próbka posiada zdolność skręcalności, to wówczas przynajmniej część światła przechodzi przez analizator i dociera do oka obserwatora.
Obserwacja przy zastosowaniu kontrastu fazowego
Kontrast fazowy - polega na zastosowaniu specjalnie dopasowanych przysłon szczelinowych.Istnieje kilka rozwiązań mikroskopów odbiciowych z kontrastem fazowym. Jedno z rozwiązań schematycznie przedstawiono na rysunku.Źródło światła jest odwzorowane za pomocą kolektora na otworze przysłony aperturowej oświetlacza. Światło gładkie lub jednolite, a w kontraście fazowym uwidaczniającym zarysu. wychodzące z otworu przysłony pada, po przejściu przez soczewkę na półprzeźroczyste zwierciadło ustawione pod kątem 45° do osi optycznej mikroskopu. Promienie świetlne odbite od zwierciadła wpadają do obiektywu i wychodzą zeń w postaci lekko zbieżnej wiązki, tworzącej obraz otworu przysłony aperturowej poniżej obserwowanej powierzchni przedmiotu - zbieżność wiązki świetlnej wychodzącej z obiektywu jest podyktowana tym, aby światło bezpośrednie Sb skupiało się po odbiciu od przedmiotu poza półprzeźroczystym zwierciadłem. Takie rozwiązanie powoduje, że mamy do czynienia z dwoma rodzajami światła: bezpośrednim Sb wychodzącym jak gdyby z obrazu otworu przysłony aperturowej i skupiającym się w punkcie Q", gdzie umieszczona jest płytka fazowa oraz ze światłem dyfrakcyjnym Sd powstającym w wyniku ugięcia i rozproszenia światła na wszelkich powierzchniowych niejednorodnościach badanego przedmiotu. W wyniku nakładania się i interferencji obu rodzajów światła powstaje w płaszczyźnie obrazowej obiektywu obraz fazowo - kontrastowy powierzchni badanego przedmiotu. Obraz ten jest obserwowany za pomocą okularu mikroskopu. Technikę kontrastu fazowego wykorzystuje się w przypadku gdy poszczególne elementy preparatu nie różnią się właściwościami absorbcyjnymi, a tylko współczynnikiem załamania światła bądź, grubością. Ma to miejsce dla preparatów przeźroczystych lub wypolerowanych, obserwowanych w polu jasnym jako gładkie lub jednolite, a w kontraście fazowym uwidaczniającym zarysu.
Kontrast Nomarskiego - w technice Nomarskiego wykorzystuje się światło spolaryzowane oraz specjalnej konstrukcji pryzmaty Wolstona - zmodyfikowane pryzmaty Nicola. Schemat mikroskopu optycznego z kontrastem interferencyjnym różniczkowym - DIC / Nomarski - przedstawiono na rysunku. Pryzmaty Wollastona - W lub N- umieszczone są między półprzeźroczystą płytką zwierciadlaną Z oświetlacza a obiektywem Ob. Światło przechodzi więc przez pryzmat W lub N dwukrotnie, wobec czego pryzmaty spełniają równocześnie rolę kompensatora i elementu rozdwajającego obraz badanego obiektu B. Polaryzator P jest ustawiony prostopadle do płaszczyzny padania światła na płytkę Z, a analizator A równolegle. Efektem zastosowania tej metody jest uzyskanie quasiprzestrzennych obrazów. Zastosowanie - podobnie jak w przypadku kontrastu fazowego.
Sposób przygotowanie próbki do obserwacji:
Operacje przygotowania zgładu:
Wycinanie
Szlifowanie
Polerowanie
Trawienie
Ad 1. W zależności od usytuowania powierzchni zgładu względem osi próbki (pokrywającej się zazwyczaj z kierunkiem obróbki plastycznej w stopach przerobionych plastycznie) wyróżnia się zgłady:
Podłużne
Poprzeczne
Skośne
Ad 2. Do szlifowania powierzchni próbki używamy papieru ściernego. Szlifowanie zaczynamy od papieru o dużych ziarnach stopniowo przechodząc do arkuszy o większej ziarnistości (np. 2000)
Ad 3. Aby jeszcze lepiej wygładzić powierzchnie próbki stosujemy zabieg zwany polerowaniem. Polega on na pocieraniu próbki o sukno nasączone płynem służącym do polerowania.
Ad 4. Proces trawienia wykonujemy w celu ujawnienia struktury materiału. Na próbkę nanosimy czynnik trawiący wcieramy go a później spłukujemy wodą.
Tak przygotowana próbka jest gotowa do obserwacji pod mikroskopem.
Przebieg ćwiczenia:
Podczas ćwiczenia nauczyliśmy się jak należy przygotowywać próbki w celu obserwowania ich struktury pod mikroskopem optycznym.
Pierwszą operacją jest wycięcie próbki z badanego przedmiotu. Dokonujemy tego za pomocą np. piłki do metalu. Następnie należy wyszlifować powierzchnie. Za pomocą papieru ściernego o różnej granulacji (od gruboziarnistego do drobno ziarnistego ) usuwamy wszelkie nierówności i duże rysy. Aby pozbyć się drobnych rys które przeszkadzają w obserwacji należy zastosować polerowanie próbki. Próbkę polerujemy przy pomocy polerki z suknem które należy polewać odpowiednim płynem do polerowania. Polerować należy aż do momentu otrzymania lustrzanej powierzchni. Aby ujawnić strukturę należy próbkę wytrawić czego dokonujemy przy pomocy czynnika trawiącego. Wytrawiona próbka jest gotowa do obserwacji pod mikroskopem.
Wyszukiwarka