Печать
Опубликовано: 04 августа 2017 04 августа 2017
Просмотров: 3503 3503

Оптический микроскоп широко применяют в научных и промышленных лабораториях, а также в медицине и биологии. В медицине при помощи оптического микроскопа просвечивающего света изучают пленки и тонкие срезы биологических тканей. Нативные препараты смотрят с помощью различных методов контрастирования. Неживые ткани и клетки фиксируют и окрашивают различными красителями, а по цвету и оттенку судят о патологии. Для получения контрастного изображения используют методы темного поля и фазового контраста, а образец иногда подкрашивают. Для геологических исследований минералы полируют до тех нор, пока толщина образца не уменьшится до 50 мкм. После этого их помешают между тонкими предметными стеклами. Для повышения контраста изображения и получения информации об ориентации микрокристаллов часто используется поляризованный свет.

Металлы непрозрачны, поэтому для их исследования необходимо использовать отраженный свет. Оптический микроскоп отраженного света позволяет изучать лишь поверхность металла, структура и оптические свойства которой ответственны за создание контрастного изображения.

Полимеры можно изучать как в отраженном, так и в проходящем свете. Аморфные стеклообразные полимеры чрезвычайно прозрачны, что затрудняет задачу получения контрастного изображения. В отличие от них, кристаллические полимеры изучать при помощи микроскопа проходящего света очень просто. В поляризованном свете микрокристаллы создают контрастное изображение благодаря своей оптической анизотропии. Наполненные композиты с полимерной матрицей можно исследовать в отраженном свете, хотя большое различие механических свойств низкомодульной матрицы и высокомодульного наполнителя усложняет подготовку образца. Кроме того, легкость подготовки образцов и доступность растровых электронных микроскопов повысила интерес к ним. Недостатком растрового электронного микроскопа в сравнении с оптическим является малая чувствительность к степени анизотропии материала. Например, эластомеры (каучукоподобные полимеры) при больших деформациях приобретают молекулярную ориентацию, становятся оптически анизотропными и их удобно изучать при помощи поляризационного оптического микроскопа.

Хотя керамические и полупроводниковые материалы сходны с минералами. обычно их изучают с помощью микроскопа отражающего света несмотря на то, что в некоторых случаях легче приготовить тонкую пластину для микроскопа просвечивающего света. Слабое отражение и сильное поглощение света снижают контраст изображения керамических материалов в отраженном свете, а их химическая стойкость затрудняет поиск травителя для выявления структуры поверхности. Кроме того, присутствие даже малых количеств примеси или допирующих добавок, повышающих проводимость материала, может привести к выпадению микрофаз на границах зерен и изменить поведение образца.

 

Формирование оптического изображения.

Изображение объекта в оптическом микроскопе формируется при помощи системы стеклянных линз, имеющих более высокий коэффициент (показатель) преломления, чем воздух. Луч света, распространяющийся пол углом к поверхности, на границе раздела двух фаз преломляется, причем направление его распространения в стекле определяется показателем преломления.

В случае двояковыпуклой линзы сферическая форма её передней и задней поверхностей приводит к тому, что параллельный пучок света, падающий на переднюю поверхность, собирается в точку на расстоянии f, которое является характеристикой линзы и называется 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.

Конструкция оптического микроскопа.

Упрощенная конструкция оптического микроскопа отраженного света приведена на рис. 1. 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. В небольших микроскопах источником света обычно служит нагреваемая током углеродная нить. В более дорогих микроскопах используются ксеноновые разрядные трубки, являющиеся стабильным и мощным источником белого света.

Помимо источника, важным элементом осветительной системы (рис. 1) является конденсор, увеличивающий яркость освещения объекта. Для этого изображение источника фокусируют близко к задней фокальной плоскости объектива, и образец оказывается освещенным почти параллельным пучком. 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 (рис. 1). Она расположена в осветительной ветви микроскопа отражающего света, снижает отражение света и устраняет нежелательный световой фон 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.

 

 

Рисунок 1. Конструкция оптического микроскопа отраженного света.

 

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.

Предметный столик.

Основным требованием, предъявляемым к штативу микроскопа и предметному столику, является их механическая устойчивость. Если разрешающая способность равна приблизительно 0,3 мкм. стабильность положения образца в плоскости х-y должна быть не хуже этого предела. Дополнительные условия связаны с установкой образца в фокус объектива путем вертикального перемещения (по оси Oz). Точность z-регулировки должна быть выше глубины резкости объектива для самого большого увеличения, а точнее, параметра числовой апертуры NA объектива. Поэтому стабильность положения образца по координате z не менее важна, чем по координатам х и у.

Юстировку микроскопа обычно проводят по всем трем координатам с помощью микрометрических винтов координатного перемещения. При этом механическая свобода системы должны быть сведена к минимуму. «Свободой» называют разницу в положении микрометрического винта при помещении объекта в одну и ту же точку путем движения из противоположных направлений.

 

Выбор объектива.

В настоящее время имеется широкий выбор объективов. Он зависит от типа образца и способа наблюдения. Основными характеристиками объектива являются числовая апертура NA и увеличение, которое всегда можно найти на его корпусе. Как правило, линзы объектива ахроматизованы и могут работать в широком диапазоне длин световой волны и для изучения цветных деталей микроструктуры.

Одним из характерных применений оптических микроскопов является гистологическое исследование мягких тканей. В этом случае образец должен быть защищен от окружающей среды, для чего тонкий срез ткани помещают на предметное стекло, а сверху накрывают тонким покровным стеклом. Похожие методы используют и для полимеров, особенно аморфно-кристаллических. Толщину образцов можно варьировать, изменяя давление на покровное стекло при приготовлении препарата. Объективы, предназначенные для изучения таких образцов, сконструированы так, чтобы учесть показатель преломления и толщину (0,17 мм) покровного стекла.

Построение и регистрация изображения.

Увеличение объектива не слишком высоко, и поэтому необходимо дальнейшее увеличение построенного им изображения. Для этого есть три возможности. Первая состоит в использовании окуляра и дополнительных линз, помещаемых между объективом и окуляром. Вторая - в фокусировке изображения на светочувствительную фотопленку и его последующем фотоувеличении. Третий способ - это сканирование изображения и демонстрация его на мониторе. В последние годы достигнут значительный прогресс в развитии высококачественных ПЗС-матриц, называемых в оптике гак же ССД-камерами, позволяющих создавать цифровое изображение. При этом отпала необходимость в дополнительных линзах. В настоящее время этот способ записи изображения продолжает интенсивно развиваться.

 

 Литература:

Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля // Издательство: Техносфера.2006. 384 с.