Основные характеристики микроскопа

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 38Следующая ⇒

Максимальное полезное увеличение микроскопа, т. е. увеличение, с которым выявляются детали рассматриваемого предмета, определяется по формуле

М = d1 ,

d

где d₁ – максимальная разрешающая способность человеческого глаза, равная

0,3 мм; d – максимальная разрешающая способность оптической системы.

Максимальная разрешающая способность оптической системы опре- деляется из условий дифракции согласно уравнению

=

d n sin a ,

где l – длина волны света (для белого света 6 000 Å); n – коэффициент пре- ломления; a/2 – половина угла раскрытия входящего светового пучка.

Максимальное полезное увеличение микроскопа достигается в том случае, если d имеет максимальное значение, когда при постоянной длине волны света l величина n sin a/2, называемая числовой апертурой, будет максимальной. Поэтому надо стремиться к наибольшим величинам угла a/2 и коэффициента преломления n. Обычно в микроскопе ведут наблюдения в воздушной среде (n = 1) с обычными, так называемыми сухими объективами. Для получения больших увеличений между поверхностью объектива и рас- сматриваемым предметом создают среду, имеющую высокий коэффициент преломления (кедровое масло).

Изображение предмета увеличивается в микроскопе дважды, поэтому увеличение микроскопа N_м равно произведению собственных увеличений объектива N_об и окуляра N_ок:

N = N × N

= l × 250 ,

ì        î á    î ê

Fîá Fîê

где F_об и F_ок – фокусные расстояния объектива и окуляра; 250 мм – расстоя- ние наилучшего зрения; l – оптическая длина тубуса.

Глазное увеличение обеспечивается объективом, оно может дости- гать 100. Увеличение окуляров не должно быть более 20–24.

Характеристика объективов и окуляров микроскопа МИМ-7 приведе- на в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Увеличение объективов и окуляров микроскопа МИМ-7

Объективы

Окуляры

Для визуального наблюдения

Для фотографирования

х7

х10

х15

х20

х7

х10

х15

8,6^х (F = 23,2; А = 0,17)

14,4^х (F = 13,89; А = 0,30)

24,5^х (F = 8,16; А = 0,37)

32,5^х (F = 6,16; А = 0,65)

72,2^х (F = 2,77; А = 1,06)

1 080

1 440

1 000

1 350

Разрешающей способностью оптического прибора называют величи- ну, обратную разрешаемому расстоянию d_p. Разрешающая способность микро- скопа определяется способностью объектива (но не всегда равна ей) и равна

1/d_p = А/l,

где d_p – разрешаемое расстояние; l – длина волны источника света; А – чи- словая апертура объектива, зависящая от показателя преломления среды n и от конструкции линзы (ее отверстного угла 2a),

A = n × sin a.

Ограничения разрешающей способности в оптике возникают вследст- вие явлений аберрации и дифракции. Хроматической аберрацией называется неодинаковое преломление линзой лучей различного цвета (различной длины волны), которые не имеют одной общей точки схода (фокуса). Хроматиче- ская аберрация ухудшает четкость изображения; ее можно полностью устра- нить только применением монохроматического света. Сферическая аберра- ция заключается в том, что лучи, преломляемые краем линзы и центральной ее частью, не сходятся в одной точке, что также ухудшает четкость изображения. Для уменьшения сферической аберрации объектив изготовляют из двух линз – выпуклой и вогнутой, которые имеют одинаковую, но различно направлен- ную сферическую аберрацию.

Свет попадает в объектив микроскопа, претерпев рассеяние на дета- лях структуры шлифа. Рассеянные световые лучи интерферируют, образуя дифракционные максимумы и минимумы интенсивности. Направление ди- фракционных максимумов определяется соотношением между размером де- тали структуры и длиной волны света l:

d × sina= m × l,

где m – целое число; a – угол между направлением падающего и дифрагиро- ванного лучей.

При малой величине деталей структуры d световые лучи заметно ди- фрагируют, отклоняясь на значительные углы от первоначального направле- ния. За фокальной плоскостью объектива дифрагированные лучи, встречаясь, интерферируют между собой и дают увеличенное изображение структуры шлифа.

Изображение деталей структуры можно наблюдать только в том слу- чае, если объектив пропускает, кроме центрального (нулевого) максимума, хотя бы максимум первого порядка. На рис. 2.3 показана схема действия апертуры объектива и масляной иммерсии для получения изображения.

а                                             б                                          в

Рис. 2.3. Схема действия апертуры объектива: 0, 1, 2, 3 – направления дифрагированных деталями структуры максимумов; а – детали структуры, слишком мелкие и не разрешают- ся объективом (j < a); б – детали j > a); в – действие масляной иммерсии (сравните б и в, в последнем случае пропускаются максимумы высших порядков)

Числовая апертура объектива А – его важнейшая характеристика, по- этому она выгравировывается на его оправе. Эта характеристика вместе с длиной волны света определяет наименьшие размеры разрешаемых деталей структуры. Отверстный угол объектива 2a практически не бывает больше 140°, тогда наивысшее значение числовой апертуры для сухого объектива (для воздуха n = 1)

A = n × sina = 1× 0,94 = 0,94 .

В случае иммерсионного объектива, т. е. работающего в условиях, когда между шлифом и объективом находится капля масла с n = 1,51, А = 1,51 ^. 0,94 =

= 1,43. При освещении предмета параллельным пучком белого света, идущим вдоль оси системы (светлопольное освещение), для которого можно принять

l = 0,55 мкм, величина деталей d, разрешаемых самым сильным объективом (А = 1,43), составляет 0,2 мкм. Обычно в освещении участвуют лучи различ- ных направлений. Как видно из рис. 2.4, при наличии внеосевых (косых) лу- чей в объектив может попасть большее число дифракционных максимумов –

разрешающая способность системы при этом будет повышаться (будут вид- ны более мелкие детали структуры и более четко – крупные).

Косое освещение шлифа осуществляется смещением апертурной диа- фрагмы 5 с оси.

Разрешающая способность микроскопа увеличивается и при переходе к темнопольному освещению (рис. 2.5), когда, в отличие от светлопольного освещения, прямые лучи полностью устраняются из поля зрения, изображе- ние формируется лишь дифрагированными лучами (рис. 2.4). Косое и темно- польное освещение часто используют для повышения контрастности изобра- жения.

Рис. 2.4. Действие косого освещения

Рис. 2.5. Действие темнопольного освещения

Разрешающая способность объектива используется только в том слу- чае, если раскрытие апертурной диафрагмы микроскопа обеспечивает полное заполнение светом линзы объектива. Это условие для объектива-ахромата не удается реализовать из-за явления аберрации.

Резкость и контрастность изображения достигается сложной конст- рукцией объективов и окуляров, устраняющей частично или полностью оп- тические дефекты.

При установке освещения в светлом поле необходимо:

1. Поставить двойную линзу 8 и 20 (рис. 2.1) на «с».

2. Отцентрировать источник света относительно осветительной линзы 6. Для этого на оправу линзы 5 положить матовую бумагу и проверить, фокусиру- ется ли изображение нити лампы в центре отверстия апертурной диафрагмы. Такое положение достигается смещением лампы центрировочными винтами 30.

3. Правильно установить полевую диафрагму 18 относительно вы- бранного окуляра. Для этого необходимо сфокусировать изображение струк- туры шлифа, закрыть предварительно полевую диафрагму и, глядя в окуляр, раскрывать полевую диафрагму до тех пор, пока ее края не совпадут с диа- фрагмой окуляра. При необходимости полевая диафрагма центрируется дву-

мя центрировочными винтами 43, имеющимися на ее оправе. Для освещения большей площади на шлифе изображение видимой части будет ухудшаться.

4. Правильно раскрыть апертурную диафрагму 5 относительно выбранно- го объектива. Объективы-ахроматы должны освещаться на 75 %, т. к. при полу- чении изображения краевыми лучами наблюдаются большие аберрации. При меньшем раскрытии теряется разрешающая способность объектива, посколь- ку уменьшается используемый угол a. Для раскрытия апертурной диафрагмы вынимают окуляр (при сфокусированном изображении!) и, глядя на зеркало 14, где проектируется светлое поле объектива и апертурной диафрагмы, добива- ются того, чтобы яркое центральное пятно проекции апертурной диафрагмы занимало 75 % всего светлого поля объектива, контуры которого при таких условиях освещены более слабо.

5. При переходе к фотографированию раскрытие полевой диафрагмы осветителя производится заново.

Метод косого освещения улучшает контрастность рельефных струк- тур вследствие образования теней. Слегка скошенное освещение позволяет четко видеть выпуклости, впадины. Угол падения светового пучка меняется винтом 33 на оправе апертурной диафрагмы, а вращение этого угла в про- странстве осуществляется вращением диафрагмы с оправой вокруг собствен- ной оси.

Метод темнопольного освещения выгодно применять при изучении структур, имеющих сочетание деталей сильно и слабо рассеивающих свет и при выявлении отдельных мелких рельефных включений на гладкой поверх- ности.

Поскольку при темнопольном освещении прямые лучи в формирова- нии изображения не участвуют, зеркально отполированные поверхности шлифа выглядят темными, а рельефные участки, вызывающие рассеяние све- та, кажутся светлыми, т. к. только рассеянные лучи могут пройти через объ- ектив и принять участие в формировании изображения. При исследовании неметаллических включений удается легко оценивать их прозрачность.

Для установки темнопольного освещения двойная линза 8 и 20 пере- мещается на букву «т» (для светлопольного освещения включена линза «с») и, кроме того, включается откидная диафрагма 23, вырезающая центр свето- вого пучка. Таким образом, на шлиф падает пучок в виде светового кольца. Апертурную диафрагму при этом следует открыть полностью.

Поляризованный свет. Микроскоп оснащен поляризатором 24 и ана- лизатором 25 – инструментами для получения поляризованного света и ана- лиза его изменения после отражения от исследуемой поверхности. Если по- ляризатор и анализатор установлены так, что свет через систему не проходит, то такое положение поляризатора и анализатора называют скрещенным. Рас- положение поляризатора и анализатора в оптической системе микроскопа показано на рис. 2.1.

Металлические поверхности по своим оптическим свойствам могут быть разделены на изотропные и анизотропные. Первые характерны для ме- таллов кубической симметрии, вторые – для остальных металлов. Если на ка-

кую-либо поверхность кубического металла падает плоскополяризованный свет, то отраженный свет будет также поляризованным и может быть пога- шен анализатором (при скрещенном положении). Если же свет падает на оп- тически анизотропную поверхность, то в отраженном свете появится состав- ляющая с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости поляриза- ции падающего света. Эта часть света пройдет через анализатор и при скре- щенном положении. Интенсивность прошедшего света зависит от анизотро- пии отражающей поверхности, поэтому, если рассматривать шлиф поликри- сталлического анизотропного металла, то мы получим контрастное изобра- жение микроструктуры, так как различные кристаллиты пересечены плоско- стью шлифа по плоскостям с различной оптической анизотропией, в том числе и по изотропным поверхностям.

В металлографическом микроскопе изображение формируется широ- ким пучком лучей с углами падения от нуля (перпендикулярные лучи) до по- ловины отверстного угла объектива. Плоскополяризованные косые лучи при отражении даже от изотропных металлических плоскостей не остаются плос- кополяризованными и поэтому не могут быть полностью погашены анализа- тором. Чтобы выявить анизотропные участки шлифа, его вращают вокруг оси, перпендикулярной поверхности, при этом яркость изотропных поверх- ностей не изменяется, а для анизотропных наблюдается четыре или два ми- нимума и столько же максимумов яркости за один оборот шлифа. Если шлиф освещается белым плоскополяризованным светом, то при повороте образца наблюдается закономерное изменение цвета анизотропной поверхности, так как из-за дисперсии света экстремальные яркости различных длин волн дос- тигаются при различных углах поворота шлифа.

Примечание. Микроскопическое изучение в поляризованном свете обычно требует особо тщательной подготовки шлифа.

Применение поляризованного света особенно эффективно при изуче- нии неметаллических включений, поскольку они являются оптически анизо- тропными.

Микроскоп снабжен рядом приспособлений, позволяющих произво- дить всякого рода отсчеты и измерения.

Измерительное устройство предметного столика. Предметный сто- лик имеет возможность крестообразно перемещаться в горизонтальной плос- кости винтами. Эти шкалы позволяют непосредственно измерять какие-либо крупные детали структуры с точностью до 0,5 мм, а также быстро находить любое поле зрения, заранее отмеченное по положению винтов.

Отсчет углов поворота осуществляется с использованием специаль- ного вкладного столика с делениями через градус от 0° до 90°. Измерение уг- лов в структуре делаются путем вращения вкладного столика; столик при этом предварительно центрируется. Вращение столика требуется также при анализе структуры с помощью поляризованного света. Если при повороте столика происходят погасания отраженного света, кристаллит является опти- чески анизотропным.

Определение глубины рельефа можно производить с помощью меха- низма микрометрической подачи, калибровка которого позволяет вести от- счеты с точностью 0,002 мм. Для подобных измерений следует использовать объективы с небольшой глубиной резкости, т. е. имеющие высокие значения апертуры. При этом поочередно фокусируют выступ и впадину на шлифе и наблюдают разность в положении «микровинта».

При исследовании микроструктуры микроскопические линейные изме- рения производятся при помощи окулярных вкладышей, вставляемых в оку- ляр х7. Окуляр, снабженный измерительным вкладышем, называется оку- лярмикрометром. Вкладыш представляет собой стеклянную пластинку с ли- нейкой на 100 делений или сеткой. Линейка (или сетка) при правильной ус- тановке совмещается с изображением структуры. Для получения абсолютных значений измеренных расстояний необходимо определить цену деления оку- лярмикрометра, которая зависит от увеличения объектива.

Для определения цены деления окулярмикрометра в комплект микро- скопа входит объектмикрометр – шлиф с линейкой, цена деления которого известна. Как правило, линейка имеет длину 1 мм и разделена на 100 частей. Вначале тщательно фокусируют шкалу объектмикрометра, помещая ее в среднюю часть видимого поля зрения, а затем совмещают изображение шкал объект- и окулярмикрометра. Цена деления окулярмикрометра d_ок будет рав- на истинному расстоянию между делениями объектмикрометра D_об, умно- женному на отношение числа совмещенных делений шкал объектмикромет- ра m к числу делений окулярмикрометра n:

d_ок = D_об m/n.

Познавательные статьи:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология