Оптическая микроскопия: принципы и применение

Микроскопия изучает увеличение изображений объектов, слишком малых для невооруженного глаза. Она использует излучение (рис. 1), испускаемое, поглощаемое, проходящее или отражаемое образцом. Природа излучения определяет тип микроскопии: оптическая, электронная, рентгеновская, акустическая и др. Оптическая микроскопия использует видимую часть электромагнитного спектра. Это микроскопическое исследование материалов с помощью оптического микроскопа.

Рис. 1 Электромагнитные волны

Исторический экскурс

Грубые лупы использовали в древности, но эволюция современных микроскопов началась в XVII в. Хотя первый составной микроскоп построили Ганс и Захариас Янсен в 1595 г., Антони ван Левенгук (1632–1723) создал линзы, дававшие удивительное для того времени увеличение ~300× в очень простых микроскопах. По совету Роберта Гука (~1670 г.) лондонский мастер Кристофер Кок построил успешный составной микроскоп, с помощью которого Гук открыл клетки. Микроскоп Гука можно считать предком современных приборов.

Устройство и принцип работы

Оптический микроскоп («световой микроскоп») использует видимый свет и систему линз для увеличения изображений малых образцов. Это старейший и простейший тип микроскопов. Он остается ключевым инструментом для изучения микроструктуры, несмотря на появление сложных электронных металлографических приборов (SEM, TEM) — они дополняют, а не заменяют оптический микроскоп.

Все исследования микроструктуры начинаются с оптического микроскопа: низкие увеличения (100×), затем постепенно выше для эффективной оценки базовых характеристик. Большинство микроструктур можно наблюдать и идентифицировать по особенностям. Идентификацию сомнительных фаз помогают: твердость относительно матрицы, естественный цвет, реакция на поляризованный свет, реакция на селективные травленники. Наблюдения сопоставляют с известными данным физической металлургии материала. Если сомнения остаются или структура слишком тонкая — применяют более сложные методы.

Подготовка образцов

Оптический микроскоп позволяет изучать как отшлифованные, так и травленные металлографические образцы. Некоторые фазы лучше видны в отшлифованном состоянии, так как травление их не маскирует: включения, нитриды, некоторые карбиды, интерметаллические фазы. За исключением включений, остальные фазы удобнее рассматривать, если при финальном шлифовании ввести определенное рельефное отличие. Образцы должны быть качественно подготовлены для правильной интерпретации без артефактов. Образцы, реагирующие на поляризованный свет (некубические кристаллические решетки), обычно изучают без травления. В большинстве случаев травление необходимо для раскрытия микроструктуры. Сначала используют универсальный травленник для выявления зерновой структуры и фаз, затем селективные — для атаки или окрашивания конкретных фаз. Селективные травленники широко применяются в количественной металлографии, особенно с автоматизированными устройствами. Травление должно быть тщательным для четкого изображения микроструктуры.

Оптическая схема

Микроскоп использует объектив с очень коротким фокусным расстоянием для создания сильно увеличенного изображения. Оно рассматривается через окуляр (тоже с коротким фокусом) как простая лупа. Базовая схема изображения показана на рис. 2. Оптическая система включает объектив и окуляр. Объектив увеличивает объект для четкого наблюдения. Образец помещают возле фокальной плоскости объектива в предметном пространстве — создается увеличенное вещественное изображение на промежуточной плоскости. Она совпадает с фокальной плоскостью окуляра, который работает как лупа, давая дальнейшее увеличение. Наблюдатель получает увеличенное, виртуальное, перевернутое изображение.

Рис. 2 Оптический принцип изображения в микроскопе

Разрешающая способность

Способность оптического микроскопа давать раздельные изображения разных точек ограничена. Разрешающая способность линзы — количественная мера этой способности. Точки, ближе предельного разрешения, не различаются как отдельные. Эрнст Аббе в 1873 г. задал минимальное расстояние d между двумя соседними точками для их разделения: d = λ/(2n sin α), где λ — длина волны света, α — половина апертурного угла линзы, n — показатель преломления среды между объектом и линзой.

Сейчас наименьшее линейное разделение двух точек объекта, которые можно разделить объективом, задается критерием Рэлея: d = 1.22 λ/(2NA), где NA — числовая апертура объектива. Оба критерия похожи, так как NA = n sin α. Максимальное значение sin α = 1 (α = 90°), поэтому теоретический максимум NA объектива в воздухе (n = 1) равен 1. Высокое NA необходимо для высокого разрешения, поэтому развили иммерсионную оптику. Образцы снимают на очень коротком расстоянии от объектива через иммерсионные среды с другим показателем преломления: вода (n = 1.33), глицерин (n = 1.47), масло (n = 1.52).

Для хорошо спроектированного микроскопа пространственное разрешение в основном определяется объективом. Окуляр может увеличивать изображение, но не улучшает разрешающую способность. Пространственное разрешение по Рэлею: Ro = 0.62 λ/(n sin α), где Ro — минимальное разрешаемое расстояние.

Учитывая практические ограничения: (i) видимый свет λ = 390–760 нм, (ii) максимально достижимый апертурный угол 70–75°, (iii) необходимость иммерсионных методов для повышения n, разрешение обычного оптического микроскопа не может превысить 200 нм.

Современный оптический микроскоп увеличивает объект в 1500 раз с пределом пространственного разрешения 200 нм.

Классификация оптических микроскопов

По способу освещения: просканирующие (пропускные) — свет проходит через прозрачные объекты, и рефлексионные — источник сверху освещает непрозрачные объекты, отраженный свет собирает объектив.

По методам наблюдения: светлое поле, темное поле, фазовый контраст, поляризованный свет, интерференционные, люминесцентные.

Каждый тип может использовать просканирующий или рефлексионный подход. Микроскопы светлого поля — самые популярные. При их использовании коэффициенты пропускания/поглощения и отражения меняются в зависимости от условий. Амплитуда меняется с интенсивностью освещения. Бесцветные прозрачные объекты видны только при изменении фазы освещающего света. Так как микроскопы светлого поля не меняют фазу, такие образцы в них невидимы.

Рис. 3 Оптический микроскоп и его принцип

Компоненты микроскопа

Оптические микроскопы сильно варьируются по стоимости и возможностям. Отраженный свет — для металлов. Пропускной — для минералов и полимеров (их тоже можно изучать в отраженном свете). По ориентации плоскости шлифовки образца: вертикальные (upright) и инвертированные (inverted). У каждого конфигурации плюсы и минусы, выбор — по предпочтению. Простейший — настольный (обычно вертикальный). Фотографические возможности можно добавить в зависимости от жесткости стойки.

Система освещения

Разнообразные источники света. Низковольтная вольфрамовая лампа накаливания (настольные микроскопы) — достаточно для наблюдения, но не для фото. Интенсивность регулируется током. Углеродные дуговые системы, бывшие популярны, заменены дуговыми или нитевыми источниками. Ксеноновая дуга преобладает из-за высокой интенсивности и дневного цвета. Интенсивность регулируется только серыми фильтрами. Вольфрам-галогенные лампы также популярны — высокая интенсивность и цветовая температура. Ток или серые фильтры регулируют интенсивность. Другие источники (циркониевые, натриевые, йод-кварцевые, ртутные) — реже.

Конденсор

Регулируемая линза без сферической аберрации и комы перед источником фокусирует свет в нужной точке оптического пути. Полевое диафрагма перед линзой минимизирует внутреннее блеск и отражения. Её закрывают до края поля зрения. Вторая регулируемая ирис-диафрагма — апертурная — в световом пути перед вертикальным иллюминатором. Её открытие/закрытие меняет количество света и угол конуса, входящего в объектив. Оптимальная настройка варьируется для каждого объектива — компромисс между контрастом, резкостью и глубиной поля. С ростом увеличения апертурную диафрагму закрывают. Открытие повышает резкость, но снижает контраст. Закрытие повышает контраст, но ухудшает резкость. Апертурную диафрагму не используют для уменьшения интенсивности — только для контраста и резкости.

Световые фильтры

Модифицируют свет для удобства наблюдения, улучшения фото, изменения контраста. Серые фильтры равномерно снижают интенсивность по видимому спектру (пропускание 85 % → 0.01 %). Большинство микроскопов имеют минимум два таких фильтра. Селективные фильтры балансируют цветовую температуру источника и пленки — нужно для верной цветопередачи. Зеленый/желто-зеленый фильтр в черно-белой фото снижает влияние дефектов линз. Большинство объективов, особенно дешевые акроматы, требуют такой фильтрации. Поляризационные фильтры создают плоско-поляризованный свет (один фильтр) или скрещенно-поляризованный (два фильтра, повернутые к затуханию) для изучения некубических (кристаллографически) материалов. Оптически анизотропные материалы (бериллий, цирконий, α-титан, уран) можно изучать в скрещенных поляризованных без травления. Чувствительная тиновая пластина усиливает окраску в скрещенном поле.

Объектив

Формирует первичное изображение микроструктуры — самый важный компонент. Собирает максимум света от образца и формирует изображение. Числовая апертура (NA) объектива — мера светосборной способности. Она растет с углом α. Настройка апертурной диафрагмы меняет NA конденсора и всей системы.

Объективы (рис. 4) обычно на револьвере на 4–6 позиций. Некоторые микроскопы без револьвера — один объектив на баюонетном креплении. Вертикальный иллюминатор содержит рефлектор/призму, отклоняющую свет вниз на объектив и образец. Обычно держит апертурное и полевое диафрагмы и фильтры. Обычно дает 1–2 типа освещения (светлое/темное поле или светлое поле/поляризованный свет). Универсальные вертикальные иллюминаторы теперь предоставляют все типы с одним набором объективов.

Трубная длина — от глазной линии окуляра до резьбы объектива. Не стандартизирована, вариабельна. Большинство объективов рассчитаны на определенную трубную длину (обычно 160–250 мм) и не взаимозаменяемы.

Наиболее распространен — акромат: сферически скорректирован для одного цвета (обычно желто-зеленый) и для продольной хроматической аберрации для двух цветов (красный и зеленый). Поэтому акроматы не подходят для цветной фото. Желто-зеленый фильтр + ортохроматическая пленка = оптимум. Зато у акроматов большой рабочий расстояние (от передней линзы до образца). Оно уменьшается с ростом увеличения. Производители делают объективы с увеличенным рабочим расстоянием для спецзадач (горячая ступень). Акроматы безнапряженные — важно для поляризованного света. Меньше линз — меньше потери на внутренних отражениях.

Полуапохроматические (флюоритовые) объективы — выше коррекция сферической и хроматической аберраций, лучшие изображения. Апохроматические — высшая коррекция, лучшие результаты, дороже. План-объективы — обширная коррекция плоскости поля, снижают утомление глаз, часты на современных микроскопах.

С parfocal системами каждый объектив на револьвере почти в фокусе при повороте — предотвращает удар линзы об образец. Многие объективы пружинные — защита от повреждений, особенно актуально для высоких увеличений (малое рабочее расстояние).

Некоторые объективы для работы с маслом между образцом и передней линзой. Масляные иммерсии редко используют — нужно чистить образец и линзу. Но дают выше разрешение, чем воздух. В воздухе макс. NA = 0.95, в масле — 1.3–1.45. Увеличения 25×–160×. Масло также заостряет изображение, ценно для низкоотражающих образцов (уголь, керамика).

Рис. 4 Типы объективов и окуляров

Окуляр

Тоже называют окулярной линзой. Увеличивает первичное изображение от объектива. Глаз использует полную разрешающую способность объектива. Микроскоп создает виртуальное изображение в точке наилучшего зрения (~250 мм от глаза). Окуляр увеличивает его для получения полезных увеличений. Стандартный окуляр — поле зрения 24 мм, широкопольные для план-объективов — 30 мм, увеличивают используемую площадь первичного изображения.

Простейший — гуйгеновский (К. Гейгенс): две планово-выпуклые линзы, выпуклые стороны к объективу. Подходит для слабых и средних акроматов. Компенсирующие окуляры — для высоких NA акроматов и вышескорректированных объективов. Так как часть коррекций делается окуляром, он должен соответствовать типу объектива.

Глазной зазор — расстояние от глазной линзы окуляра до глаза. Обычно ≤10 мм — мало для носителей очков. Простые дефекты (близорукость) компенсируются тонкой фокусировкой. Астигматизм микроскопом не корректируется — нужны очки. Окуляры с высокой точкой глаза дают зазор ~20 мм для очков.

Окуляры часто оснащены ретикулами/микрометрами для локализации, измерений, подсчета, сравнения микроструктур. Окуляр увеличивает и ретикулу, и первичное изображение — оба должны быть в фокусе одновременно. Спецокуляры для более точных измерений: нитевой или винтовой микрометрический окуляр. Могут быть автоматизированы для прямого цифрового измерения с точностью ~1 мкм.

Обычно используют 10×. Для стандартных увеличений иногда нужны другие: 6.3×. Высокие: 12.5×, 15×, 20×, 25× — полезны в определенных случаях. Общее увеличение = Mo (объектив) × Me (окуляр). Если используется зум-система или меха — учитывать соответствующе.

Столик

Механический столик для фокусировки и перемещения образца, закрепленного зажимами. У инвертированного микроскопа — заменяемые центральные пластины с отверстиями разного размера. Шлифованная поверхность прижимается к отверстию. Нельзя увидеть всю поверхность, на высоких увеличениях нельзя сфокусироваться у края из-за малого рабочего расстояния. У вертикального микроскопа образец на стеклке на столике. Шлифованная поверхность должна быть перпендикулярна лучу — между дном и стеклой кладут глину. На шлифовку кладут линзовую салфетку и прессом вдавливают в глину. Но куски салфетки могут прилипнуть. Альтернатива, особенно для смонтированных образцов — кольцо вместо салфетки. Алюминиевые/нержавеющие кольца размера монтажа (слегка сплюснутые в тисках) садятся на монтаж, а не на образец.

Вертикальный микроскоп позволяет видеть всю поверхность любым объективом, оператор видит, какой участок смотрит. Полезно для покрытых образцов, швов и др., где нужны конкретные зоны. Для смонтированных образцов автоуровневающий держатель исключает выравнивание на глине.

Столик должен быть жестким для устранения вибраций. Движение по x и y микрометрами — плавное и точное, обычно зубчатое зацепление. Часто шкалы для измерения смещений по x и y. Фокусировка часто с рисками для оценки вертикального хода. Есть моторизованные столики и фокусировка.

Круговой вращающийся столик удобен для поляризованного света. Обычны для минералогии/петрографии, с градуировкой угла поворота. Прямоугольный столик часто ставят на круговой.

Стойка

Настольные микроскопы нуждаются в жесткой стойке, особенно для фото. Детали крепятся к стойке. Иногда микроскоп на отдельной стойке, держащей и фотосистему.

Дефекты линз

Многие дефекты следуют из законов отражения и преломления. Показатель преломления линзы зависит от длины волны света, фокусное расстояние — от показателя преломления. Фокус меняется для разных цветов. Отдельное изображение для каждой длины волны фокусируется на разных расстояниях — продольная хроматическая аберрация (рис. 5). Увеличение меняется с фокусом, меняя размер изображения — поперечная хроматическая аберрация (рис. 5). Нужно устранить для цветной фото. Акроматы имеют ограниченную коррекцию — используют с желто-зеленой фильтрацией для резких изображений. Сферическая аберрация (рис. 5): свет от точечного объекта на оптической оси сильнее преломляется в центре или на периферии линзы — серия фокальных положений, точечное изображение как круг конечной площади. Минимизируется диафрагмой, ограничивающей использование центральной части линзы. Конструкция линзы тоже корректирует.

Так как поверхность оптимального фокуса изогнута, компенсирующие окуляры с равной, но противоположной кривизной дают плоское изображение. Другие проблемы (кома, астигматизм) ухудшают качество, если не скорректированы.

Рис. 5 Дефекты линз

Разрешение

Для микроструктурных деталей нужны адекватное разрешение (разрешающая способность) и контраст изображения. Если разрешение приемлемо, но контраста нет — детали не видно. Способность разделить две точки/линии на расстоянии d — функция длины волны λ падающего света и числовой апертуры NA объектива: d = k·λ/NA, где k = 0.5 или 0.61. Рис. 6 показывает зависимость для k = 0.61 и четырех длин волн. Другие формулы также известны. Уравнение не включает другие факторы: степень коррекции объективов, зрительную остроту наблюдателя. Оно основано на работе Аббе при условиях, не встречающихся в металлографии: самосветящиеся точки, идеальный черно-белый контраст, просканирующее освещение, идеальный точечный источник, отсутствие дефектов линз.

По уравнению, предел разрешения для объектива с NA = 1.4 составляет ~0.2 мкм. Чтобы увидеть линии/точки с шагом 0.2 мкм, нужно увеличение = разрешающая способность объектива / разрешающая способность глаза (трудно определить при наблюдении). Аббе использовал 0.3 мм на расстоянии 250 мм (оптимальное зрение). Для средней λ = 0.55 мкм нужное увеличение = 1100 × NA. Это происхождение правила «1000 NA» для максимального полезного увеличения. Любое увеличение выше 1000 NA — «пустое», бесполезное.

Строгое следование правилу 1000 NA сомнительно — условия его вывода далеки от металлографии. По анализу Аббе, для человека с оптимальным зрением 20/20, оптимальным контрастом и средней λ = 550 нм, минимальное увеличение, полностью использующее NA объектива = 550 × NA. Это задает полезный минимум для данного объектива. Предлагают верхний предел полезного увеличения для среднего наблюдателя = 2200 NA, а не 1000 NA.

Рис. 6 Зависимость разрешения и глубины поля от числовой апертуры

Глубина поля

Глубина поля — расстояние вдоль оптической оси, где детали изображения наблюдаются с приемлемой четкостью. Факторы, влияющие на разрешение, влияют на глубину поля в противоположную сторону. Нужен компромисс, который сложнее при росте увеличения. Это одна из причин предпочтения легкого травления для высоких увеличений.

Режимы наблюдения

Для реализации разрешающей способности выбранного объектива нужен адекватный контраст изображения. Контраст зависит от подготовки образца и оптики. Различия в отражательной способности поверхности создают амплитудные признаки, видимые после увеличения. Фазовые различия от отражения делают видимыми с помощью фазо-контрастных или интерференционно-контрастных насадок.

Освещение светлым полем

Вертикальное освещение светлым полым — самый распространенный метод, дает большинство микрографов. Свет проходит через объектив и перпендикулярно падает на образец. Поверхности, нормальные к падающему свету, отражают его обратно через объектив в окуляры — выглядят яркими. Наклонные поверхности отражают меньше света — темнее, в зависимости от угла.

Наклонное освещение

На некоторых микроскопах можно децентрировать конденсор или зеркало, чтобы свет падал на образец под неперпендикулярным углом. Шероховатость отбрасывает тени — трехмерный эффект. Позволяет определить, что в рельефе, а что во впадинах. Но можно ввести мало наклонности — освещение становится неравномерным, разрешение падает.

Темное поле

Собирают свет, отраженный от наклонно ориентированных элементов, а лучи, отраженные от нормальных к пучку элементов, блокируют. Контраст по сути инвертирован относительно светлого поля: яркие становятся темными, темные — яркими. Очень сильный контраст, наклонные элементы светятся. Часто видно то, что невидно в светлом поле. Особенно полезно для изучения зерновой структуры. Низкая интенсивность затрудняет фото, проблему смягчают устройства автоэкспозиции.

Поляризованный свет

В металлографии поляризованный свет обычно ограничен наблюдением определенных оптически анизотропных металлов (бериллий, α-титан, цирконий, уран), которые труднотравляемые, но хорошо реагируют на поляризованный свет при качественном шлифовании. До появления ЭМЗ-анализатора (EMPA) и ЭДС (EDS) поляризованный свет был неотъемлемой частью метода идентификации включений. После их развития используют реже — ЭМЗ/ЭДС дают более определенную идентификацию. Современные металлографические микроскопы используют синтетические поляроидные фильтры. «Поляризатор» в световом пути перед объективом, «анализатор» — после объектива, обычно прямо под окуляром.

Свет — поперечные волны, вибрирующие во всех направлениях, перпендикулярно распространению. Вибрации симметричны — неполяризованный свет. Проходя через поляризационный фильтр, вибрации только в одной плоскости — плоско-поляризованный свет. Плоскость меняется при вращении фильтра. Если анализатор в световом пути, плоско-поляризованный свет проходит, если плоскость вибраций параллельна плоскости анализатора. Если перпендикулярна — свет не проходит, затухание. Когда плоско-поляризованный свет отражается от поверхности изотропного металла (кубическая кристаллическая решетка, например железо), затем проходит через анализатор в скрещенном положении — изображение погасает (темно). На практике металлографический микроскоп не дает идеального плоско-поляризованного света, полного затухания не бывает. Не проблема, так как поляризованный свет в металлографии используется качественно. Нужны безнапряженные объективы (обычно акроматы). Флюоритовые/апохроматические не подходят. Нужен мощный белый источник для точных цветовых эффектов.

Если оптически анизотропный полированный металл под лучом при скрещенных поляризаторе/анализаторе — микроструктура раскрывается. Качество подготовки критично, поверхность ⟂ лучу. Вращение образца меняет интенсивность и цвет. Сложно точно установить скрещенное положение с анизотропным образцом, если позиции не отмечены — лучше найти его сначала на изотропном образце.

Когда плоско-поляризованный свет падает на анизотропную поверхность, отражение идет как две плоско-поляризованные компоненты под прямым углом. Направления зависят от кристаллической структуры. Сила этих отражений может меняться, между ними есть фазовая разность. Они варьируют для каждого металла и зависят от кристаллической ориентации. Никакого отражения нет, когда базальная плоскость шестигранных/тетрагональных кристаллов ⟂ лучу. Макс. отражение — когда главная ось симметрии кристалла ⟂ лучу. Результирующее изображение преимущественно определяется ориентационными эффектами, фазовые разности малозначительны.

При скрещенном анализаторе вращение плоско-поляризованного света от анизотропной поверхности пропускает свет через анализатор — изображение, где каждое зерно имеет разную интенсивность и цвет в зависимости от ориентации. При вращении столика на 360° каждое зерно меняет интенсивность 4 раза (светлое→темное). Если фазовая разность значима, свет эллиптически поляризован, разность интенсивностей при вращении меньше, затухание не наблюдается. Цветные изображения — когда отраженный плоско-поляризованный свет варьируется по длине волны. При малом цвете чувствительная тиновая пластина между поляризатором и объективом усиливает окраску.

Изотропные металлы можно изучать в скрещенном поляризованном свете, если поверхность сделать оптически активной травлением, окрашиванием или анодированием. Разработаны процедуры для нескольких металлов, но не все травленные поверхности реагируют. Обычно травление дает ямки или грани в каждом зерне — двойное отражение на них. Зерна с разной ориентацией дают разную ориентацию ямок/граней → разную степень эллиптической поляризации → разную интенсивность. Анодирование дает толстый оксидный слой, неравномерности которого приводят к двойному отражению.

Хотя ответ поляризации анодированных образцов приписывали оптической анизотропии пленки, эксперименты показали — это неравномерности поверхности пленки. Тинтовые травленники дают пленочные покрытия с интерференционными цветами, усиливаемыми поляризованным светом. Лучшие результаты — когда анализатор немного смещен от скрещенного положения. Помимо включений и анизотропных металлов (сурьма, бериллий, висмут, кадмий, кобальт, магний, скандий,теллур, олово, титан, уран, цинк, цирконий и др.), а также травленных/анодированных/тинт-отравленных кубических металлов, поляризованный свет полезен для покрытых или деформированных металлов. Может помогать в идентификации фаз. Внутренняя структура графитовых нодулей в чугуне ярко раскрывается поляризованным светом. Мартенситные структуры часто лучше видны в поляризованном свете, показывая пластинчатый мартенсит в высокопрочном железистом сплаве.

Фазовый контраст

Позволяет изучать тонкие фазовые вариации в микроструктурах с малым или нулевым амплитудным контрастом от разностей оптического пути на поверхности (отраженный свет) или сквозь образец (пропускной). Обнаруживают разности высот до 0.005 мкм. Применение в металлографии ограничено. Нужен отдельный набор объективов и специальный вертикальный иллюминатор.

Интерференционно-контрастное освещение

Дифференциальный интерференционный контраст дает изображения с подчеркнутой топографической детализацией, как при наклонном освещении. Детали, невидимые или слабые в светлом поле, ярко раскрываются. Примеры: относительная твердость компонентов или природа травления (какие зоны/фазы атакованы). В некоторых случаях раскрываются аспекты структуры, невидимые в светлом поле.

Интерференционные техники

Несколько интерференционных техник измеряют разности высот на образцах. Интерференционные полосы на идеально плоской поверхности — прямые параллельные линии равной ширины и шага. Разности высот изгибают или зазубривают полосы. Интерференционный микроскоп делит свет точечного источника на две и более волн, накладываемые после разных путей — интерференция. Двухлучевые и многолучевые интерферометры — два основных типа. Измерения основаны на длине волны света. Двухлучевые измеряют разности высот до λ/20; многолучевые — до λ/200.

Линниковский интерферометр — двухлучевой рефлексионный микроскоп с неполяризованным светом. Призма-разделитель пучка создает два пучка от монохроматического источника. Один проходит через тестовый объектив к образцу и обратно. Другой — через референсный объектив к идеально плоскому зеркалу и обратно к разделителю, затем в окуляр. Если разность путей не равна или не кратна λ/2 — интерференция, контурные линии равных высот. Разность высот между соседними полосами = λ/2.

Толанский многолучевой интерферометр создает интерференцию множества пучков за счет референсного зеркала, частично пропускающего и отражающего, очень близкого к образцу, но слегка непараллельного. Референсное зеркало с известной отражательной способностью, приближенной к поверхности. Свет проходит через зеркало, падает на образец, отражается, интерферирует с лучами между зеркалом и образцом. Полосы многолучевого интерферометра острее двухлучевого — отсюда большая точность. Расстояние между полосами тоже λ/2. Возвышенности смещают полосы от параллельности. Смещение сравнивают с шагом полос для измерения высот.

Светосеченная микроскопия

Светосеченный микроскоп, тоже для измерения топографии поверхности, дополняет интерференционные техники. Измеряют шероховатость 1–400 мкм — полезно для механически обработанных поверхностей и измерения поверхностных слоев/пленок. Щель у полевой диафрагмы в системе освещения проецируется объективом как световая линия на измеряемой поверхности. Наклонное освещение на темном фоне. Световая полоса наблюдается вторым объективом, идентичным первому. Объективы под 45° к поверхности и 90° друг к другу. Ретикула в окуляре для измерений или на фото. Вертикальное разрешение хуже интерферометров, но боковое лучше.

Вспомогательные техники

Спецприборы на оптическом микроскопе для дополнительной информации.

Микротвердомерное тестирование

Данные микровдавливания получают индентеро-насадками на микроскоп. Единичные приборы делают многие производители твердомеров. Нагрузки 1–1000 г (некоторые 0.05–200 г). Индентеры Кнупа или Викерса.

Горячая ступень (Hot-stage microscopy)

Ячейки горячей ступени от нескольких производителей. Единичные приборы тоже есть. Холодные насадки — ограниченное применение. Горячая ступень для изучения фазовых превращений при нагреве/охлаждении или постоянной температуре. Нужен объектив с большим рабочим расстоянием (образец в ячейке). Окно ячейки — кварц, объективы должны быть кварцевокорректированными, особенно ≥20×. Нехимические методы травления для наблюдения фазовых изменений. Границы зерен термически травляют при постоянной температуре в вакууме. Грубление границ зерен хорошо видно в светлом поле. Фазовые превращения видны по рельефу на поверхности. Сдвиговые реакции (мартенсит, баинит) — самые легкие для наблюдения. Другие — сложнее или невозможно. Съемку в ситу делают киноаппаратурами.

Специальные столики

Разные конфигурации. Автоуровневающие для смонтированных образцов — типичный пример. Универсальные наклонные — для быстрой манипуляции шершавыми образцами. Спецстолики для мелких объектов. Много стадий для in situ экспериментов. Базовые исследования кристаллизации — in situ наблюдение замерзания низкоплавких органических веществ (камфен), твердеющих как металлы. Рекристаллизация низкоплавких металлов/сплавов — аналогично. Стадии для наблюдения за электролитическим шлифованием/травлением. Ячейки для in situ коррозии. Стадии для процессов со статической/динамической нагрузкой. Устройства для физического извлечения включений.

Горячая ячейка (Hot-cell microscopy)

Металлографическая подготовка радиоактивных материалов требует дистанционного управления в спец. горячих ячейках. Спецмикроскопы для работы с горячей ячейкой.

Полевой микроскопия

Когда нужно изучить микроструктуру крупного объекта, который нельзя резать и доставить в лаб., используют переносное лаб. оборудование для шлифовки участка in situ. Переносной микроскоп для осмотра и фото. Если нельзя — делают реплики для оптического или электронного микроскопа.

Сравнительные микроскопы

Иногда нужно сравнить две микроструктуры. Обычно — микрографы рядом, но можно спецмикроскопами. Мостовой компаратор объединяет изображения двух настольных микроскопов для одновременного просмотра.

Телевизионные мониторы

Проекционные микроскопы для группового просмотра, но чаще выводят микроструктуру на ЧБ или цветной монитор. Есть высокорешающие КТВ-системы.

Чистота для микроскопии

Изучение мелких частиц чувствительно к пыли при наблюдении. Работа в чистобоксе, чистой стойке или чистой комнате — спец. безпыльная среда.

Образовые анализаторы

Рост количественной металлографии, особенно характеристики включений, стимулировал автоматизированные системы анализа изображений на ТВ-принципах. Фазы/компоненты детектируют по разнице отражательной способности → разнице серого на мониторе. Большинство стереологических измерений возможны. Значительная автоматизация: автоматические столики, мощные миникомпьютеры. Дорогие, но стимулировали интерес к стереологии и структура-свойство.

Признаки детектируют на отшлифованных или травленных образцах — по природе интересующей фазы. Если нужно травление — селективные методы. Полевые и признако-специфические измерения. Полевые — все детектированные признаки одновременно (объемная доля). Признако-специфические — каждая частица последовательно (форма, размер).

Не все структуры поддаются точным измерениям автоматически. Фрактурные поверхности — автоматический анализатор не разделяет признаки по серому уровню. Многие ТЭМ-структуры тоже не анализируются. Для таких — полуавтоматические трассировочные приборы: оператор детектирует световым пером/стилусом. Дешевле, подходят почти для любой стереологической задачи. Но больше времени на детекцию — менее подходят для задач, требующих выборки многих полей.

Фотомикроскопия

До фотонасадок микроструктуры рисовали. Потребность в документировании отпала, но рисование осталось полезным учебным методом. Фотомикроскопия важна в металлографии — фото верно воспроизводит детали для других. С современным оборудованием качественные микрографы легко получаются. Но нужно внимание к подготовке, травлению, работе с микроскопом. Воспроизведение ложных микроструктур слишком часто — неверные интерпретации, отбраковка хороших материалов, ошибочные выводы в анализе отказов.

Исторически преобладали темночные фототехнологии. С появлением мгновенных процессов (Полароид) многие снимают на них — скорость, эффективность. Но качество изображения уступает, процесс повторять для каждой копии. Нужен прибор автоэкспозиции для минимума брака. Традиционные темночные методы — больше усилий, но лучшие микрографы. Значительная автоматизация влажных процессов возможна, но оправдана при частом использовании.

Хорошие микрографы нуждаются в: адекватном контрасте и разрешении, равномерном фокусе по полю, равномерном освещении, достаточной глубине поля. Источник света правильно выровнен, система без вибраций. Желто-зеленый фильтр для коррекции дефектов линз. Оптика чистая, полевое и апертурное диафрагмы настроены верно. Фокусировка разными способами — по модели. Разные форматы пленки: пластины, листовая пленка разного размера, 35-мм ролл. Увеличение в плоскости пленки должно быть известно. Просто, если переменные только объектив и окуляр, сложнее с зум/мехом. Столичный микрометр для истинного увеличения.

Диапазон ЧБ и цветных пленок для темночной/мгновенной техники. Характеристики документируют производители. ЧБ — дешевле, лучше контроль контраста, проще проявка, быстрее. Цветная — важные применения, оправдывающие стоимость. Традиционная ЧБ: сначала негатив, потом позитив на бумаге. Микрограф хранится годами без изменений. Выбор негативной пленки: формат, цветовая чувствительность, контраст, разрешающая способность, скорость, зернистость, широты экспозиции и проявки.

Некоторые ЧБ пленки нечувствительны ко всему видимому спектру. Ортохроматические — чувствительны ко всем цветам кроме оранжевого/красного. Панхроматические — ко всем, но акцентируют синий, занижают желтый. Желтый фильтр снижает смещение. Ортохроматические проявляют под темно-красным светом, панхроматические — в полной темноте. Ортохроматические отличны для фотомикроскопии, особенно с желто-зеленым фильтром для коррекции линз.

Скорость пленки критична только при низком освещении (поляризованный свет, интерференционный контраст, темное поле). Ортохроматические — средний контраст, достаточно для большинства структур. Контраст можно повысить высококонтрастной пленкой. Разрешающая способность пленки — способность записывать мелкие детали. Желательна высокая. Зернистость зависит от размера серебряных зерен эмульсии, проявителя, времени/температуры. Высокочувствительные пленки зернистее — хуже для увеличения. Контактная печать предпочтительна. Нужен большой формат, но экономит время увеличения. Лучшие изображения, исключает переопределение увеличения печати. Мелкозернистая пленка — лучшее разрешение.

При экспозиции есть допустимый диапазон, дающий пригодный негатив. Широкая широта экспозиции ценна. У каждой пленки есть характеристика: зависимость плотности от времени экспозиции. Выбирают на линейном участке кривой. Хороший плотный негатив позволяет подавить мелкие дефекты при печати. Недосвеченный сильно ограничивает печать — плохой отпечаток. Проявка негатива: проявитель, стоп-ванна, фиксатор, промывка, сушка.

Правильную экспозицию проще определить встроенным экспометром. Если нет — серию тестовых экспозиций: полностью выдвигают кассета, экспонируют всё на время гораздо меньше нужного. Вставляют затвора на 10–20 мм пленки, повторяют. Инкрементно до полного закрытия. После проявки оценивают по плотности в каждой полосе. Альтернативно — ступенчатая экспозиция на мгновенной пленке того же ISO, экономя время темночной. Большинство ЧБ пленок — контактная печать. Негатив эмульсией вверх на контактном принтере, бумага эмульсией вниз. Принтер закрыт, свет через пленку на бумагу. Проявка, стоп, фиксация, промывка, сушка. Контраст печати — типом бумаги и временем проявки. Типы контраста: экстра-мягкий (плоский) → экстра-контрастный (градусы 1–5). №3 — чаще всего. №4 — повысить контраст, №2 — понизить.

Мгновенные процессы устраняют темночную работу, ускоряют. Полароид — диффузионно-переносной реверсальный процесс. Проявка начинается при извлечении пленки после экспозиции. Вытягивание раздавило капсулу с вязким едким проявителем, размазало по пленке. ЧБ развиваются быстро, цветные — чуть дольше. Некоторые Полароид — очень высокие ISO, плюс при тусклом свете. Некоторые отпечатки нужно покрыть нейтрализующим стабилизатором/лаком против выцветания. Есть мгновенные пленки, дающие негатив и позитив. Негатив нужно прояснить, но темночная не нужна. Полароид для микроскопии — все панхроматические. Рулонные, кассеты, листы. Экспозицию нужно контролировать точнее, чем для влажных процессов.

Макрофотография

Осмотр и фото часто нужны для макро-отравленных дисков, сломанных деталей. Осмотр визуально или с простой лупой/стереомикроскопом. Макрофото на большинстве камер, возможно с насадками для крупного плана, мехом, макрообъективом. Многие стереомикроскопы оснащают камерами, некоторые делают стереопары. Некоторые производители предлагают штативы для макрофото. Некоторые металлографы имеют объективы малого увеличения для макрофото.

Макрофото использует увеличения <1× до 50×. Большинство лаб, особенно по анализу отказов, имеют разные камеры, источники света, стереовьюверы для широкого диапазона объектов. Правильное освещение — подчеркнуть детали, равномерное без бликов. Настройка освещения — эксперименты и опыт. Доступно: прожекторы, кольца, коаксиальные, волоконная оптика. Светоящик убирает тени, но нужно творчество для хороших результатов.

Глубина поля и разрешение — важные переменные. Многие объекты трехмерные — нужна глубина поля и свет для формы/текстуры. Глубина поля зависит от апертурной диафрагмы, увеличения, фокуса. Закрытие апертуры улучшает глубину, но снижает яркость и четкость. Глубина растет при уменьшении увеличения и увеличении фокуса. Для увеличений <5× предпочтительны фокусы ≥100 мм. Короткофокусные — для высоких увеличений.