2.6. Глубина резкости, яркость и контрастность изображения

Кроме величины разрешения качество изображения микрострук­туры определяется размером поля зрения, глубиной резкости, яркостью и контрастностью изображения.

Глубина резкости - способность микроскопа давать сфо­кусированное изображение выступов и впадин на поверхности объ­екта одновременно. Глубина резкости зависит от характеристик используемого объектива (она об­ратно пропорциональна его апертуре А и прямо пропорциональна фокусному расстоянию F_об ) и от раскрытия апертурной диафрагмы.

Яркость изображения определяется (помимо конструктивных осо­бенностей микроскопа) интенсивностью светового потока, создава­емого осветителем и раскрытием апертурной диафрагмы.

Контрастность изображения характеризуется отношением разности яркостей объекта и фона к их сумме. Контра­стность изображения зависит (помимо качества подготовки объек­та) от раскрытия полевой диафрагмы, от применяемого способа ос­вещения, используемого света и усиливается специальными способами (см. ниже).

Размер поля зрения определяется диаметрами (а значит и аперту­рой) объек-тива и окуляра и ограничен искажениями формы объектов.

Отсюда следует, что яркость, контрастность и глубина резкости изображения могут регулироваться путем настрой­ки апертурной и полевой диафрагмы и выбором способа освещения.

Апертурная диафрагма ограничивает входящий в оптическую сис­тему пучок лучей (в конечном итоги - в объектив). Чем больше раскрыта апертурная диафрагма, тем интенсивнее световой поток, падающий на образец, и тем больше яркость изображения. Но раскрытие апертурной диафрагмы одновре­менно уменьшает глубину резкости.

Диаметр полевой диафрагмы определяет освещенность поля зрения, т.е. величину наблюдаемого участка объекта. Закрытие полевой диафрагмы уменьшает размеры поля зрения, но увеличивает контрастность изображения, так как при этом отсекаются рассеянные световые лучи.

В световой микроскопии основным методом осве­щения объектов исследования: является метод светлого поля.

При обычном, светлопольном, освещении поверхность образца ос­вещается лучами, падающими на нее почти перпендикулярно. Свет­лые участки изображения формируются лучами, отраженными от поверхности объекта и попавшими в объектив. Темные участки в этом случае соответствуют областям поверхности, которые либо плохо отражают падающие лучи, либо отражают их так, что они не попадают в объектив, как наклонные стенки канавок травления, воз­никшие в местах выхода границ зерен на поверхность.

Для получения контрастного изображения используют некоторые специальные способы и приемы.

Методы повышения оптического контраста

1.Устранение вредного рассеяния света, возникающего при отражении от различных частей микроскопа (поверхности оптических деталей, внутренние стенки тубуса). Этого можно добиться, отрегулировав раскрытие и центровку полевой диафрагмы 8 (см. рис.5). Хороший эф­фект дает сужение апертурной диафрагмы 5. Однако, не следует забы­вать, что это может привести к неоправданной потере разрешающей способности.

2. Темнопольное освещение применяют при исследовании структуры, содержащей отдельные мелкие рельефные частицы на гладком поле, при изучении неметаллических включений. С помощью этой методики легко контролировать качество полировки по­верхности.

Если на пути пучка света, освещающего образец поставить непро­зрачный диск, отсекающий только центральную часть пучка, но не боковые лучи, то получим темнопольное освещение. При использовании этого метода объектив выводится из хода лучей. Для освещения объекта применяют специальный конденсор. В этом случае прямые лучи не проходят через объектив, а изображение формируется рассеянными лучами. Полированная по­верхность выглядит темной, а рельефные участки - светлыми и ярки­ми. Для работы в темном поле следует полностью открыть апертурную диафрагму 5, сдвинуть рамку 10 и, таким образом, включить в ход лучей линзу 23, закрыть заслонку 24, установить объектив с соот­ветствующим конденсором 25.

При темнопольном освещении поверхность образца освещается лучами, падающими на нее по конической поверхности. Тогда световые лучи отражаются в объектив не всеми участками поверхности объекта, а только теми, которые наклонены по отношению к его поверхности; остальные уча­стки будут темными.

При темнопольном освещении контраст на изображении заметно усиливается, так как превращается в противоположный по сравнению со случаем светлопольного освещения: светлые участки оказываются темными, а темные - светлыми. Исследование в темное поле не харак­теризует структуру полностью, но является полезным дополнитель­ным методом.

3. В методе косого освещения используют косые, не параллель­ные оси микроскопа лучи. Косое освещение устанавливается с помощью призмы или, как в МИМ-7, смещением апертурной диафрагмы 5 с оптической оси прибора (рис.5). При этом необходимо сместить и источник света. Наклонные участки на мик­рошлифе окажутся более светлыми, а остальная поверхность будет в меньшей степени отражать свет по сравнению со светлопольным освещением. Косое освещение выгодно использовать при изучении рельефных структур. При косом освещении четко выявляются дефекты подготовки шлифа - риски, царапины. Применение косого освещения для электролитически полированных образцов не рекомендуется из-за мягкого крупного рельефа поверхности. Не следует при косом освещении проводить ко­личественные измерения - определять величину зерна, диаметр отпечатка и т.д., т.к. размеры объектов исследования искажены.

4. Применение поляризованного света позволяет исследовать оптически анизот­ропные фазы. Для этого в ход лучей при светлопольном методе освеще-

ния вводят специальные полярофильтры (призмы Николя): поляризатор 21 - близко к источнику света в ход падающего пучка и анализатор 20 - между объективом и окуляром в ход отраженного пучка (рис. 5), плоскость поляризации которого может составлять угол от 0 до 90° с плоско­стью поляризации поляризатора. Если иссле­дуемый объект оптически изотропен, то при соответствующем взаимном положении полярофильтров можно добиться полного погашения света. Если на поверхности объекта име­ются участки, по-разному поворачивающие плоскость поляризации отраженных лучей, то эти участки будут иметь неодинаковый кон­траст.

Если какая-либо из фаз оптически анизотропна, то полного погашения поляризованной световой волны анализатором не произойдет и фаза будет ярко светиться. Некоторые анизотропные вещества окрашиваются в поляризованном свете, например, включения закиси меди имеют красный цвет. С помощью поляризованного света изучают границы зе­рен и двойников оптически анизотропных металлов (Zn, Mg, Ti, V), фазы с кристаллической решеткой некубической системы, а также неметал­лические включения. При исследовании образца в поляризованном све­те его поверхность должна быть недеформированна, поэтому желательно применение химической или электролитической полировки.

5. Метод фазового контраста позволяет обнаружить раз­ность высоты в уровнях рельефа менее 5 нм и применяется при иссле­довании различных фаз в нетравленом состоянии, границ зерен, двой­ников, линий скольжения и дисперсных выделений При использовании этого метода в оптическую сис­тему микроскопа вводится фазовая пластина, которая увеличивает различия в фазе лучей, отраженных от различных по высоте участков металлической поверхности, и делает эти различия видимыми челове­ческим глазом.

Применение этого метода в микроскопе МИМ-7 не предусмотрено.

6. Методы дифференциального интерференционного контраста (ДИК) позволяют получать цветные изображения различных структур­ных составляющих. Метод сходен с методом фазового контраста. Устройствами для ДИК могут быть оснащены новейшие металлографические микроскопы

7. Часто микроскопы оснащены специальными приборами и приставками для решения конкретных задач.

7.1.Оптические стереомикроскопы позволяют наблюдать поверхность под углом 45° без наклона образца.

7.2. Высокотемпературные микроскопы позволяют непосредственно наблюдать изменение структуры материалов при нагреве и охлаждении.

7.3. При помощи приставки - прибора для измерения микротвердости определяют механические свойства различных фаз.

7.4. Аналитические структурные анализаторы типа "Квантимет”, “Эпиквант” и др. позволяют определить количественные харак­теристики структуры.