Устройство оптического металлографического микроскопа

В оптическом микроскопе изображение создается за счет различно­го отражения «видимого» света различными точками образца, причем степень отражения может зависеть от длины падающей волны света. Отражение является упругимпроцессом. Изображение объекта в оптическом микроскопе формируется при помощи системы стеклянных линз, имеющих более высокий показа­тель преломления, чем воздух.

При использовании двояковыпуклой линзы сферическая форма ее передней и задней поверхностей способствует тому, что параллельный пучок света, падающий на переднюю поверх­ность, собирается в точку на рас­стоянии, называемым фо­кусным расстоянием. Если линза вогнутая (отрицательный ра­диус кривизны поверхности), па­раллельный луч за линзой расходится так, как будто он излучается мнимым точечным источником, находящимся перед линзой. Эту точ­ку называют мнимым фокусом, а фо­кусное расстояние считают отрицательным.

Передняя и задняя поверхности линзы могут иметь различный знак кривизны. Суммарная кривизна двух поверхностей определяет, является ли линза положительной или отрицательной. Аналогично, стекло может иметь различный показатель преломления. В оптических микроскопах используют как выпуклые, так и вогнутые линзы с соответствующими ко­эффициентами преломления. Собранные в оптические системы, они формируют различные узлы оптической схемы микроскопа. Системы мо­гут состоять как из одной-двух линз, так и из 10-12 линз. В зависимости от положения в микроскопе, их называют объективом, промежуточной опти­ческой системой и окуляром.

На практике плоская волна собирается не в точку (фокус линзы), а в пятно конечного размера. Это обусловлено целым рядом причин. Пока­затель преломления стекла зависит от длины волны света, и как следст­вие, фокусное расстояние зависит от длины волны. Таким образом, более коротковолновые лучи фокусируются на большем расстоянии от линзы, чем длинноволновые. Это явление называют хроматической аберрацией. По этой причине линза собирает параллельный пучок белого света не в точку, а в разноцветное пятно конечного размера.

 

//

Рис.2.6. Хроматизм положения (1) и его уменьшение с помощью ахроматической линзы (2)

 

Хроматические аберрации ведут к снижению чёткости изображения, а иногда также и к появлению на нём цветных контуров, полос, пятен, которые у предмета отсутствовали.

Для толстых линз большого диаметра даже монохроматический свет (имеющий одну длину волны) собирается не в точку. Это связано с тем, что внешняя об­ласть линзы (соответствующая большим углам преломления) является бо­лее короткофокусной, чем ее центральная часть. Данное явле­ние называют сферической аберрацией, и она также приводит к увеличению размера фокусируемого пятна. Системы линз в оптическом микроскопе подобраны так, чтобы уменьшить аберрацию настолько, насколько это возможно.

Микроскоп имеет три основные системы — осве­тительную систему, штатив микроскопа, включающий предметный сто­лик и систему построения изображения.

Источник света и конденсор.Осветительная система должна удовлетворять двум противоречивым тре­бованиям. С одной стороны, изучаемая область должна быть равномерно освещена, чтобы все детали микроструктуры находились в одинаковых ус­ловиях. С другой стороны, падающий свет нужно сфокусировать так, что­бы отраженный сигнал имел достаточную интенсивность для рассматрива­ния и фотографирования.

Источник света должен быть достаточно ярким. Раньше в качестве ис­точника света использовали углеродную дугу, которая является прекрасным, хотя и немного нестабильным источником белого света. В совре­менных микроскопах отраженного света в качестве источника света используются галогенные лампы мощностью 35 или 100 Вт.

В микроскопах проходящего и отраженного света вблизи источника света располагается линза или система линз, называемая "коллектором". Коллектор увеличивает размер изображения нити лампы до раз­мера выходного зрачка объектива, расположенного в задней фокальной плоскости объектива. В дальней­шем для выполнения условия Аббе, связанного с равенством апертур осветительного пучка и объектива, используется оптическая система линз, называемая конденсором. Конденсор имеет регулируемую диа­фрагму.

Апертурная диафрагма осветительной системы ограничивает коли­чество света, поступающего от источника и попадающего на образец. Кон­траст изображения можно повысить, закрывая апертурную диафрагму кон­денсора. При этом, однако, резко уменьшается яркость изображения, и мо­гут появиться артефакты, связанные с дифракционными явлениями.

Вто­рая диафрагма, называемая полевой, помещается в плоскости изображения объектива. Она расположена в осветительной ветви микроскопа отражающего света, снижает отражение света и устраняет нежелательный световой фон (так называемую засветку) изображения. Размер диафрагмы объектива должен регулироваться в соответствии с размером рассматривае­мой области, зависящим от степени увеличения микроскопа. Апертурная и полевая диафрагмы обычно представляют собой ирисовые диафрагмы, диа­метр которых можно изменять в широких пределах.

Во многих микроскопах отраженного света положение осветительной системы с лампой можно установить так, чтобы он начал работать как ми­кроскоп проходящего света. Это очень удобно для исследования тонких об­разцов биологических тканей, минералов, частично кристаллических по­лимеров и тонких полупроводниковых пленок. На рис. 4.2. представлены основные системы современного оптического микроскопа.

Выбор объектива зависит от ти­па образца и способа наблюдения.

Основными характеристиками объекти­ва являются числовая апертура NА)и увеличение, которое всегда можно найти на его корпусе.

Числовая апертура-величина, используемая для выражения разрешающей способности оптической системы объектива:

NА= n sin , (4.1.)

где 2 это плоская мера пространственного угла (угловая апертура), в который заключены все лучи, испускаемые какой-то точкой А объекта и участвующие в формировании ее изображения (максимально возможный угол 2 = 140⁰). n - показатель преломления среды, в которой находится объект. Таким образом, предельно возможная числовая апертура NА= 0,94.

Числовая апертура связана с фокусным расстоянием F линзы: обычно NА равна половине обратной величины F. Например, F1,0= NА0,5.

Различают три группы объективов:

- слабые с NА до 0,3;

- средние с NА до 0,8;

- сильные, которые в свою очередь подразделяют на сухие (с NА до 0, 95) и иммерсионные (с NА более 0, 95).

 

1. Осветитель; 2. Ирисовая полевая диафрагма; 3. Зеркало; 4. Ирисовая апертурная диафрагма; 5. Конденсор; 6. Образец; 6'. Увеличенное действительное промежуточное изображение образца, образуемое объективом; 6''. Увеличенное мнимое окончательное изображение препарата, наблюдаемое в окуляре; 7. Объектив; 8. Окуляр

 

Рис.2.7. Основные системы оптического микроскопа отражённого света

 

Фокусные расстояния объективов изменяются от 20-15 мм для слабых объективов до 4-2 мм – для сильных объективов.

return false">ссылка скрыта

В зависимости от степени коррекции, объективы обычно классифицируются на ахроматы, флюориты и апохроматы.

Ахроматический объектив корректирует продольную хроматическую аберрацию в желто-зеленом и красном диапазонах длин волн, а также исправляет сферическую абберацию в отношении желто-зеленого диапазона спектра. Из-за ограниченной коррекции ахроматы не обеспечивают правильной цветопередачи.

Апохроматические объективы отличаются более высокой степенью коррекции: продольная хроматическая абберация исправлена для всей видимой части спектра световых лучей. Сферическая абберация исправлена для зеленых, синих и фиолетовых лучей, наиболее важных для фотографирования объекта. Апохроматы дают наиболее резкое и правильное в плане цветопередачи изображение.

Характеристики объектива наносятся гравировкой на корпус объектива. Например, "планахромат 60/1.40 масло 160/0.17", означает 60 крат увеличения/1.40 числовая апертура, планапохроматический объектив разработан для использования с масляной иммерсией между фронтальным элементом объектива и препаратом, покрытого покровным стеклом толщиной 0.17 мм, и использует механический тубус длиной 160 мм. Другим примером мог быть «эпиплан - неофлюар» 50х/0.85 °°/0, который расшифровывается как "план флюорит" объектив, разработанный для epi-освещения (то есть освещение поверхности образца через объектив, а не через отдельный конденсор) с увеличением 50х и 0.85 числовой апертурой, который должен использоваться в воздухе, без покровного стекла, и (оптической) длиной тубуса на бесконечность. Объективы серии "коррекция на бесконечность" требуют использования специальной тубусной линзы, которая устраняет остаточную латеральную аберрацию и приводит лучи в фокус в плоскость изображения.

Ахроматы обычно не определены как таковые, и для описания используют различные другие коды или цветовые коды в объективах микроскопа. Большинство объективов разрабатываются, чтобы использоваться с определенной группой окуляров или тубусных линз, которые устанавливаются на определенных расстояниях для устранения остаточных ошибок. Например, компенсация окуляров используется при работе с апохроматами и другими высокоапертурными объективами, чтобы устранить боковую хроматическую аберрацию и улучшить плоскостность поля.

Не только разрешение, но и яркость изображения зависит от числовой апертуры объектива. Яркость изображения (количество света, приходя­щегося на единицу площади) уменьшается обратно пропорционально ква­драту увеличения объектива.

Чем больше апертурный угол (угол конуса) объектива, тем большее количество света он собирает и тем более четкое изображение объекта исследования. Числовую апертуру NА можно значительно увеличить, используя к иммерсионным объективам. Переднюю поверхность иммерсионного объектива погружают в инертную жидкость, имеющую более высокий показатель преломления, чем воздух. Чаще всего используют кедровое масло высокой степени очистки, имеющее показатель преломления 1,51. Таким образом, удается увеличить числовую апертуру:

NА= 1,51*0,94= 1,43 и разрешающую способность микроскопа.

Разрешающая способность микроскопа d – это расстояние между двумя светящимися точками объекта исследования, которые хорошо различимы. Разрешающая способность микроскопа находится в диапазоне от 0,5l/NA до l/NA.

Поскольку длина волны, используемая в световых микроскопах, составляет величину 0,55 мкм (это длина волны желто-зеленой части спектра, наилучшим образом различимая человеческим глазом), то:

d= 0,5*0,55/1,43 ¸0,55/1,43 =0,2¸0,4мкм.

Разрешающую способность можно также повысить, уменьшив длину волны l. Для этого в микроскопах предусмотрено наличие апертурной диафрагмы, которая ограничивает пучок лучей, входящих в систему, т.е. ограничивает длину волны светового пучка, а также полевой диафрагмы,которая ограничивает размер поля зрения. При смене объектива обе эти диафрагмы приходится менять.

Даль­нейшее увеличение построенного объективом изображения осуществляется за счет окуляра и дополнительных линз, помещаемых между объективом и окуляром. Таким образом, увеличение микроскопа создается, благодаря увеличениям всех линз, составляющих оптическую схему:

N_м= N_об N_ок N_{доп.линз} (4.2.)

В современных микроскопах N_об =100-150х; N_ок = 20-24х; N_{доп.линз} =1-1,6х.

Универсальный инвертированный металлографический микроскоп Axiovert 200 MAT (фирмы Carl Zess, Германия, рис.4.2.) позволяет получить изображение до 1600х с высокой разрешающей способностью. Микроскоп имеет стационарную фотокамеру для цифровой съемки микроструктур, а также пакет прикладных программ Axiovision, позволяющий проводить количественный анализ структурных составляющих.

Рис.2.8.