Оптическая микроскопия

Лабораторная работа

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

Цель работы: ознакомиться с устройством и работой оптического и электронных металлографических микроскопов.

Задачи работы состоят в рассмотрении и уяснении:

- принципа создания увеличенного изображения объекта;

- основных характеристик элементов оптической системы микроскопа;

- устройства и работы оптического микроскопа МИМ-8м;

- оптической схемы и принципа работы просвечивающего и растрового электронных микроскопов.

Увеличение объекта

Нормальный глаз человека наиболее четко различает объекты, находящиеся от него на расстоянии 250 мм, с которого он видит раздельно две точки, минимальное расстояние между которыми около 0.3 мм. Это расстояние между точками называется разрешающей способностью глаза. Соответственно, угол между глазом и этими точками составляет 2 угловых минуты. Этот угол называется углом зрения.

Оптическая микроскопия

Металлографический микроскоп позволяет рассматривать структуру непрозрачных тел в отраженном свете. В этом состоит основное отличие металлографического микроскопа от биологического, в котором рассматривают прозрачные тела в проходящем свете.

Металлографический микроскоп состоит из следующих систем: оптической; осветительной и механической.

Принципиальная схема оптической и осветительной систем горизонтального металлографического микроскопа марки МИМ-8м приведена на рис.1. Эта схема включает в себя два главных элемента: объектив – 6, обращенный к поверхности исследуемого шлифа и окуляр — 9, обращенный к глазу наблюдателя. Кроме того, в систему микроскопа входит ряд вспомогательных оптических элементов: конденсор – 2; светофильтр – 3; щель – 4; плоскопараллельная пластинка – 5 и призма – 8.

Объектив (6) микроскопа дает действительное увеличенное изображение структуры поверхности шлифа и представляет собой сложное сочетание стеклянных линз, находящихся в одной общей оправке, где крайняя плосковыпуклая линза, называемая фронтальной, обращена в сторону шлифа – 7 (рис. 1).

Рисунок 1. Принципиальная схема оптики металлографического микроскопа МИМ-8м

За фронтальной линзой расположен ряд коррекционных линз, предназначенных для устранения некоторых несовершенств (аббераций) фокусировки лучей главной объективной линзой.

Окуляр (9) оптической системы микроскопа дает мнимое увеличение (укрупнение) изображения и исправляет недостатки фокусировки лучей объективом. В металлографических микроскопах применяют окуляры трех типов: обычные (Гюйгенса), компенсационные и проекционные. Обычный окуляр (рис.1, поз. 9)) состоит из главной и второстепенной плосковыпуклых линз, обращенных своей выпуклостью в сторону объектива. Сложные компенсационные окуляры используют только в комплекте с короткофокусными объективами для создания больших увеличений, а проекционные (гамали) – для фотографирования изображений структуры объекта.

Увеличение окуляра существенно меньше, чем у объектива и подбирается оно таким образом, чтобы можно было достаточно четко рассмотреть изображение, создаваемое объективом. Обычные окуляры увеличивают изображение от 5 до 15 раз, а компенсационные – до 25 раз, тогда как увеличение объективов часто бывает от 9 до 95 раз.

Максимальное полезное увеличение микроскопа, т.е. увеличение, которое выявляет детали рассматриваемой структуры, определяются по формуле:

,

где d₁ – максимальная разрешающая способность человеческого глаза, равная 0.3 мм;

d – максимальная разрешающая способность оптической системы, т.е. минимальное расстояние между двумя раздельно расположенными точками.

Максимальная разрешающая способность оптической системы d определяется из условия дифракции световых лучей по уравнению:

,

где l – длина волны видимого света (для белого света 600 нм);

n – коэффициент преломления света в определенной среде (для воздуха – 1)

a/2 – половина угла раскрытия пучка света, входящего в фронтальную линзу (апертурный угол) (рис.2).

Максимальное полезное увеличение микроскопа достигается в том случае, если d имеет минимальное значение, т.е. тогда, когда при постоянной длине волны света l, величина , называемая числовой апертурой (А), будет максимальной. Поэтому, для получения наибольшего увеличения объектива стремятся к наибольшей величине апертурного угла –a /2 фронтальной линзы и минимальному фокусному расстоянию для нее (рис. 2).

Рисунок 2. Апертурный угол a/2 для малого (а) и большого (б) увеличения фронтальной линзы объектива

Обычно микроскопические исследования структуры ведут в воздушной среде (n = 1) с обычными, так называемыми, сухими объектами. Поэтому, для получения больших увеличений, между поверхностью фронтальной линзы объектива и поверхностью шлифа создают среду, имеющую максимально высокий коэффициент преломления (например, у кедрового масла коэффициент n = =1.52). Тогда максимальная разрешающая способность объектива с числовой апертурой А = 1.5 будет равна:

нм(0.0002 мм),

а максимальное полезное увеличение микроскопа – М, будет составлять:

раз.

Общее увеличение ( V_м ), которое дает микроскоп, принимают равным произведению увеличений объектива и окуляра:

.

Для четкого и контрастного изображения элементов структуры необходимо, чтобы общее увеличение микроскопа не превосходило полезного увеличения системы. Полезное увеличение в данной оптической системе для видимого света можно принять равным 500 ¸ 1000 числовых апертур взятого объектива. Так, для объектива с апертурой 0.65 максимальное полезное увеличение оптической системы будет равно 650. Поскольку этот объектив дает увеличение в 40 раз, то увеличение окуляра не должно быть больше 15 раз.

Связь числовой апертуры с увеличением объектива, окуляра и общего увеличения микроскопа приведена в таблице № 1.

Таблица № 1. Зависимость числовой апертуры, увеличений объектива и окуляра

Теперь рассмотрим ход лучей в оптической системе горизонтального микроскопа МИМ-8м (рис. 1). Луч света от лампы накаливания – 1 проходит через конденсор – 2 (это фокусирующая линза), затем – через светофильтр – 3 (набор цветных стеклянных пластин для изменения длины волны используемого света), после чего ограничивается щелью – 4 и попадает на плоскопараллельную пластинку – 5. Эта стеклянная пластинка покрыта мельчайшими зернами серебра, между которыми имеются просветы, что делает ее полупрозрачной, т.е. часть света отражается зеркальной частью зерен серебра, а другая часть – проходит через пластинку. Тонкий пучок света отражается от поверхности пластинки и направляется в объектив – 6, из которого он попадает на поверхность шлифа – 7.

Часть луча света, отраженного от поверхности шлифа, вновь проходит через объектив и направляется на полупрозрачную пластинку, проходит через нее и попадает на призму – 8. Призма отражает световой луч в окуляр – 9. За окуляром находится глаз наблюдателя, ведущего анализ структуры металла.

Кроме визуального наблюдения структуры, микроскоп МИМ-8м снабжен фотокамерой для фотографирования изображений со специального окуляра – гамали.

Механическая часть микроскопа включает в себя массивную оптическую скамью, на которой крепятся все элементы оптической системы и осветитель. Для изменения условий фокусировки объектива относительно поверхности шлифа, микроскоп имеет механизм поднятия и опускания предметного столика, на котором расположен шлиф. Эта регулировка осуществляется поворотом макро- и микровинтов.

Электрическая часть микроскопа состоит из автотрансформатора и осветительной лампы накаливания (позиция 1 на рис.1)

Поиск по сайту: