Mikroszkópia gyakorlat Villamosipari anyagismeret laboratórium 2018 A Mikroszkópok finommechanikai-optikai műszerek, melyek az emberi észlelés határait terjesztik ki a kis méretek felé. Mivel manapság az eszközök gyártásában egyre jobban fel akarunk használni egy egységnyi térfogatú anyagot (ld. mikro- és nanotechnológia) a mikroszkópok használata is egyre jobban terjed. Ebben a segédletben elsősorban optikai elven működő mikroszkópokról lesz szó. A mikroszkóp szerkezete A manapság használt optikai mikroszkópok felhasználási területe és felépítése rendkívül szerteágazó, de az alapegységeik hasonlóságot mutatnak: lássuk egy biológiai mikroszkóp felépítését (1. ábra). A gyakorlaton anyagvizsgáló mikroszkópokat fogunk használni. Míg a biológiai mikroszkóp átvilágítja a metszetkészítéssel kapott mintát, az anyagvizsgáló mikroszkóp a tömör mintákat nem tudja átvilágítani, így felülről világítja meg és onnan is szemléli. 1 szemlencsék = okulárok 2 binokuláris (két szemes betekintésű) fej 3 revolveres tárgylencseváltó (tárgylencsék = objektívek) 4 szűrőtartó 5 váz 6 tárgyasztal 7 kondenzor magasságállító 8 kondenzor 9 apertúra rekesz szabályzó 10 kondenzor központosító 11 tárgyasztalmozgató (x-y irányú) 13 világítás rekeszállító 14 és 15 durva és finom élességállító 16 lámpaház 1. ábra. Biológiai mikroszkóp felépítése [4] 1
Meg kell jegyezni, hogy az 1. ábra mikroszkópjának binokuláris feje (2. alkatrész a képen) a két szemlencsével nem térbeli képet ad, hanem a szemlélő, hogy a hosszú mikroszkópos munka ne legyen fárasztó, ne kelljen fél szemét behunyva dolgozni, ugyanazt a képet nézi mindkét szemével. Mivel mi emberek nem vagyunk egyformák, ezért szükség van a pupillatávolság beállítására a binokuláris (két szemes betekintésű) fejen, amit itt sínes rendszerrel oldottak meg. Van, amikor a két szem korrekciós dioptriaértéke nem egyezik meg: ezt a korrekciót is be lehet állítani a szemlencsén található dioptria korrekciós gyűrű forgatásával. Az anyagvizsgáló mikroszkópok felépítése: Fémek, és más nem átlátszó minták felületének vizsgálata csak visszavert fényben történhet. A megvilágítás és a megfigyelés ugyanazon irányból történik, tükrök juttatják a fényt az anyag felületére. Egy fémmikroszkóp elvi elrendezése a 2. ábrán látható világos és sötét látóterű megvilágítás esetén: Az objektívon keresztüli megvilágítás azért szükséges, mert a tárgylencse már kis nagyítások esetén is olyan közel van a tárgyhoz, hogy külső lámpával nem tudjuk egyenletesen megvilágítani. 2. ábra. Világos (bal oldali kép) és sötét látóterű (jobb oldali kép) megvilágítás elve [3] A világos látóterű megvilágításnál a mintát egy felülről átlátszó tükrön keresztül nézzük, ugyanez a tükör vetíti a tárgyra a balról jövő fényt. A sötét látóterű megvilágításnál szintén tükrök vetítik le a balról jövő fényt, amit aztán egy polírozott kúpfelület vetít körkörösen a tárgyra. Ezáltal az anyag felületén lévő mélyedések jobban láthatóak. Így működnek a laborban található Zeiss anyagvizsgáló mikroszkópok is (3.- 5. ábra). Most nézzük a mikroszkóp egyes részeinek feladatát: 1. Tárgylencse = objektív: feladata, hogy a tárgyról nagyított képet készítsen. Optikai hibákra korrigált többlencsés rendszer, mely alapvetően meghatározza a mikroszkóp nagyítási tartományát, és azt, hogy milyen kis részleteket lehet a mikroszkóppal felbontani. A tárgylencse képét a szemlencse tovább nagyítja. A tárgylencse valós (ernyőn felfogható) képet ad. Ez a mikroszkóp legfontosabb alkatrésze. 2. Szemlencse =okulár: feladata az objektív által készített kép további nagyítása. A szemlencse virtuális (ernyőn nem felfogható) képet ad, amit a szemünkkel nézünk, tehát a szemünkben lévő lencse vetíti a retinára. A tárgylencse és a szemlencse is egy lencserendszer, de az egyszerűség kedvéért a továbbiakban, egyes számban lencseként írjuk le. 3. A tubus: a szemlencse és a tárgylencse közötti cső, mely további nagyító vagy fénytörő optikai elemeket is tartalmazhat. A kényelmes munkához lehet dönthető, binokuláris fejnél a szemtávolság állíthatósága is fontos. 4. Tárgyasztal a mintamozgató szerkezettel: biztosítja a minta rögzítését és a mozgatását. Legjobb az X-Y koordinátarendszer mentén mozgató fogaskerék-fogasléc kapcsolat. 5. Élességállító rendszer: a minta és a mikroszkópfej közötti távolságot állítja úgy, hogy a tárgy fókuszba kerüljön. Nagy nagyításoknál külön durva és finom élességállító szerkezet van, kis nagyításnál, pl. sztereo mikroszkópnál elég egy, mert nagyobb a mélységélesség. 6. Váz és állvány: az elektromos és mechanikus részeknek megfelelő védelmet, ill. rezgés-mentességet biztosít. Fontos, hogy nagy tömegű, stabil legyen, mert a nagy nagyítás használata a mikroszkópot ért rezgéseket is felerősíti. Legtöbbször fém öntvényből készül. 2
7. Fényforrás: lámpaházban elhelyezett halogén izzó vagy xenonnal töltött kisülő lámpa, mely széles spektrumú fehér fényt szolgáltat a megfigyeléshez és fényképezéshez a látható sugárzási tartományban 380-780 nanométer között. Minél jobban közelít a fényforrás színhőmérséklete a napéhoz (kb. 5600 Kelvin), annál természetesebben látjuk a színeket a mikroszkópon keresztül. Ideálisan egyöntetű megvilágítást a Köhler-féle megvilágítási rendszer biztosít. Kis mérete és rugalmas alkalmazási lehetősége miatt itt is terjed a LED-es megvilágítás. 8. Kondenzor és kollektor lencsék: feladatuk a fényforrásból jövő fény összegyűjtése és párhuzamosítása. A tárgy közelében lévő kondenzor lencserendszer egyetlen feladata, hogy az összes fényt a tárgylencse látómezejébe fókuszálja. 9. Fényképező rendszer, mely lehet illesztő lencsével csatlakoztatott digitális fényképezőgép, videokamera; CMOS vagy CCD szenzoros rendszer, melyek a képet monitoron folyamatosan megjelenítik és fotót is készít. A digitális fényképek fontosak a vizsgálati eredmények dokumentálására, beilleszthetők a jegyzőkönyvbe. 3. ábra. Zeiss egyenes állású anyagvizsgáló mikroszkóp [3] Előny: a tárgy tetszőleges, felülről látható síkjáról tud képet készíteni. Hátrány: csak a tárgyasztal és az objektív közé beférő tárgyat lehet vizsgálni. 4. ábra. Fordított elrendezésű fémmikroszkóp. [3] Hátrány: csak a tárgy alsó síkját tudja leképezni Előnye: hogy nagyobb tárgyat rá lehet tenni, mint a szomszédos képen szereplő mikroszkópra. 3
tárgyasztal, alatta tárgylencse lámpaház szemlencsék kamera váz nagyítás váltó finom élesség állító finom élesség állító szemlencse / fotó váltó durva élesség áll. 5. ábra. Carl Zeiss gyártmányú fordított rendszerű foto mikroszkóp Általában egy szemlencsével és tárgylencsével rendelkező mikroszkóp nagyítása egyenlő ezen két lencse nagyításának szorzatával. De a fenti mikroszkópnál nem így van: A gyártó közlése alapján fenti mikroszkóp nagyítása betekintés esetén egyenlő a tárgylencse nagyítása szorozva a nagyításváltó állásának értékével. Ha a kamera által a képernyőre továbbított kép alapján akarjuk megkapni a mikroszkóp nagyítását vissza kell térni a nagyítás eredeti definíciójához: kép nagysága osztva a tárgy eredeti méretével. 4
A Zeiss Neophot 12 mikroszkóp képét megjelenítő Scope Photo program kiinduló menüje kamera választó fotó készítés nagyítás választó, be kell állítani a mikroszkóp nagyítás váltójával megegyezően hosszmérés Kép készítése után megjelenő képszerkesztő menü: Lencsék képezési hibái Az optikai rendszereknél, tehát most elsősorban a tárgylencsénél fontos a leképezési hibák minimalizálása, ez sokszor egymásnak ellentmondó feltételek közötti optimalizálást jelent. A szferikus aberráció (gömbi eltérés, 6. ábra) oka, hogy a lencse szélein áthaladó sugarak nagyobb eltérítést szenvednek, mint az optikai tengellyel kis szöget bezáró fénysugarak. Ebből az következik, hogy a párhuzamosan érkező fénysugarak nem egy pontban (F) metszik egymást. A szférikus aberráció ellen a lencse lerekeszelésével, néha aszférikus (nem gömbfelületű) lencsék alkalmazásával védekeznek. 6. ábra. Szferikus aberráció [3] 7. ábra. Kromatikus aberráció Kromatikus aberráció (színi hiba, 7. ábra) oka, a diszperzió, azaz a lencse törésmutatójának értéke függ a fény színétől (hullámhosszától), aminek következtében a kék színű fény erősebben, a vörös gyengébben törik meg, a lencse prizmaként viselkedve kismértékben bontja a fehér fényt. A kromatikus aberráció ellen akromát, apokromát lencserendszerek tervezésével védekeznek, melyeknél az eltérő törésmutatójú és görbületű lencsék megválasztásával minimalizálják a jelenséget. Néha LD, ED (Low Dispersion, Extra Low Dispersion), azaz alacsony színszórású lencsét alkalmaznak (pl. ilyen a fluorit lencse). 5
A geometriai torzítási hibák során az optikai rendszer egy egyenest görbén képez le, jellegzetes képviselői a 8.-10. ábrán láthatóak, ezeket legegyszerűbb egy négyzetrács leképezésén szemléltetni. 8. ábra. Hordós torzítás szemléltetése [3] 9. ábra. Hordós torzítás fényképezésnél 10. ábra. Párnás torzítás [3] Tükröződés A sima fényes lencsefelületekre érkező fénysugarak egy része a lencsefelületekről visszaverődik. Minél több szabad lencsefelület van egy lencserendszerben, annál több a tükröződés. A tükröződés csökkentésére a mikroszkóp összes szabad lencsefelületét (a belsőket is), valamint a prizmákat többrétegű tükröződésmentesítő bevonattal látják el (mivel egy adott vastagságú réteg csak egy adott hullámhosszra tükröződés-mentesít). Egyszerűen belátható, hogy egy adott hullámhosszra akkor van kioltás a réteg tetejéről és aljáról visszaverődő sugarak között, ha a rétegvastagság a hullámhossz negyede. A bevonatokat vákuumgőzöléses eljárással viszik fel a felületekre. A többi leképezési hiba leírása megtalálható az [1] szakirodalomban. A mikroszkóp objektívek (tárgylencsék) Az anyagvizsgáló mikroszkóp legfontosabb alkatrésze a tárgylencse, ez dönti el, hogy milyen képet tudunk előállítani (nagyítás, felbontóképesség, mélységélesség) Amilyen részletet a tárgylencse nem lát (nem bont fel) a tárgyról, arról az optikai rendszer további elemei sem tudnak képet alkotni. A tárgylencsékre írt specifikációs adatok fogják eldönteni, hogy mire alkalmas a tárgylencse, ezek: 1. gyártó: ez a márka, nagyban meghatározza a minőséget, van olyan mikroszkóp gyártó, mely már 150 éve fejleszt és gyárt mikroszkópokat, mikroszkóp kiválasztásánál az ismeretlen gyártók esetén nagyon körültekintőnek kell lenni. 2. leképezései korrekciók, ezek a képminőséggel függnek össze: -A legolcsóbbak az akromát objektívek, melyek a piros és kék szín szerint kromatikusan korrigáltak. Ez azt jelenti, hogy e két színt közös fókuszpontba képzik le. -A plánakromát objektívak a 2 színre való korrigáltság mellett síkra is korrigáltak: a minta egész síkját élesen képezik le. -Az apokromát objektívek kromatikusan 4 színre korrigáltak, szferikusan pedig 2 színre, főleg fényképezés esetén jelent előnyt erősebb korrekciójuk, áruk kb. kétszerese az akromátoknak. 3. nagyítás: csak úgy érdemes nagyobb nagyítású objektívre váltani, ha nő a felbontóképesség, tehát újabb részletek tűnnek elő, ez azt jelenti, hogy a numerikus apertúra nagyobb. Ezt az egyszerű követelményt a tárgylencsék mindig teljesítik 4. végtelen korrekció: az új mikroszkóp tárgylencséket úgy tervezik meg, hogy amikor a tárgy fókuszban van, akkor a tárgylencséből párhuzamos fénysugarak lépnek ki, ezáltal modulárisan bővíthető a mikroszkóp, a sugármenetben a szemlencsék vagy a kamera bárhol elhelyezkedhet. A párhuzamosak a végtelenben találkoznak, innen a végtelen korrekció elnevezés. Ezzel ellentétben a régi mikroszkópokban a tárgylencsének és a szemlencsének fix távolságban kellett lennie (fix tubushossz, ez cégenként változhatott). 6
11. ábra. Objektívek jelzései [5] 5. fedőüveg vastagság: csak biológiai mikroszkópoknál használnak fedőüveget az átvilágított rendkívül vékony minta rögzítésére. Az anyagvizsgáló mikroszkópok nem világítják át a tárgyat, tehát nulla a fedőüveg vastagság, ebből a nulla (-) értékből rögtön kiderül, hogy a tárgylencsét anyagvizsgáló mikroszkóphoz tervezték! 6. Immerziós objektív jelzés: a felbontóképesség növelésére, nagy nagyítású tárgylencséknél olajat cseppentenek a minta és a tárgylencse közé. Oil vagy HI (Oil immersion, homogeneous immersion) a jelzés. Mikroszkóp okulárok: főleg az utóbbi időben terjedtek el a WF típusú szemlencsék, melyek kialakításuknál fogva szemüvegesek számára is lehetővé teszik a szemüveggel együtt történő betekintést, angolul az ilyen okulárokat wide angle / wide field vagy high eye point okulároknak nevezik. Az okulárok is optikailag korrigáltak, a nagyítás, mely általában 5...20-szoros fel van tüntetve rajtuk. A mikroszkópi kép jellemzői Nagyítás: a mikroszkópi kép és a tárgy méretének hányadosa. Általában a tárgylencse és a szemlencse nagyításának szorzata, azonban még növelhetik a tubusban a tárgylencse és a szemlencse között elhelyezkedő optikai elemek. Ha a kép monitoron jön létre egyszerűen meghatározható a nagyítás: a monitoron lemért képhosszat el kell osztani az ismert tárgyhosszal. A nagyítás nem minőségi jellemzője a képnek: egy gyenge optikájú mikroszkópnak is lehet magas nagyítása. A fényszóródás (diffrakció) miatt az optikai mikroszkópoknak van egy elérhető maximális nagyítási határa, mely ma digitális mikroszkópoknál kb. 5000-szeres lehet. A mélységélesség az optikai tengely irányában mért távolság tartomány amelyen belül éles képet kapunk. Nagyon fontos, hogy egy adott munkához kiválasztott mikroszkópnak legalább akkora mélységélessége legyen, hogy az összes egyszerre leképezendő alkatrész éles legyen. A mélységélesség a nagyítás növelésével exponenciálisan csökken (12. ábra.) mélységélesség nagyítás 12. ábra. A nagyítás növelése a mélységélesség csökkenését okozza (Keyence gyártm. mikroszkóp) 7
A felbontóképesség a tárgyon mérhető legkisebb távolság (d) melyet az optika különböző pontoknak képez le. Ez a kép minőségének egyik legfontosabb jellemzője. Mérőszáma lehet a d távolság, de át lehet számítani vonalpár/mm-be is. Vannak tesztábrák egyre finomabb fekete-fehér vonal párokkal, mellyel a felbontóképesség vizsgálható: melyik ábra az, ahol még éppen külön látjuk a vonal párokat - ennek alapján egy táblázatból kikereshető a felbontóképesség. A 13. ábra egy USAF rendszerű felbontás vizsgáló ábrát mutat. Azt kell meghatározni melyik csoport melyik elemét látjuk még külön. Persze ez a vizsgálat valamennyire szubjektív, az Optikai Átviteli Függvény (OTF) mérés - melyhez bonyolult berendezés kell - ad objektívebb értéket. 13. ábra. USAF rendszerű felbontás vizsgáló ábra a felbontóképesség táblázattal A numerikus apertúra A tárgylencse numerikus apertúrája közvetlenül meghatározza a felbontóképességet és az elérhető hasznos nagyítást, ezért erre külön ki kell térnünk. A mikroszkóp felbontása: d 2nsin Ahol a megvilágító fény hullámhossza, ezért lehet ennek csökkentésével: pl. kék színű megvilágítással a felbontóképességet növelni. n a tárgylencse és a minta közötti közeg törésmutatója (ezt növeli meg az immerziós objektív). α a tárgylencse által befogadott sugárnyaláb fél kúpszöge ld. 14. ábra. A képletből az NA = n. sin α mennyiséget nevezzük numerikus apertúrának. Ha levegő van a tárgylencse és a minta között: nagy a törésmutató különbség az üveg és a levegő között, ezért az objektív csak kisebb szögtartományból tudja a fénysugarakat fogadni, így kisebb a numerikus apertúra. Immerziós olaj alkalmazása esetén az előbbi törésmutató különbség kisebb, ezért nagyobb a tárgylencse által befogadott sugárkúp (15. ábra.) és a törésmutató, ami magasabb numerikus apertúrát jelent. 14. ábra. Nagy (Low) és kicsi (High) numerikus apertúrájú tárgylencse. A kisebb numerikus apertúránál kisebb a tárgylencse által befogadott sugárnyaláb kúpszöge 15. ábra. Immerziós közeg hatása a numerikus apertúra értékére [3]. 8
A következő táblázatból kiderül, hogy a numerikus apertúra hogy határozza meg a mikroszkóp felbontóképességét és a szükséges nagyítását. A felbontóképesség a fenti képletbe 550 nanométeres zöld fényt helyettesítve számolták. Van egy hasznos nagyítási határ, amely fölött hiába növeljük a szemlencse nagyítását csak a pacákat nagyítjuk tovább, (mint a videokamerákon a vásárlók becsapása érdekében felírt 300-szoros digitális zoom) Tehát amit a tárgylencse nem bont fel, azt a mikroszkóp többi része sem fogja látni. A táblázatban az az ökölszabály szerepel, miszerint a hasznos nagyítás a numerikus apertúra 500- szorosa és 1000-szerese között van. NA = numerikus Felbontóképesség Felbontóképesség A szükséges nagyítás határai apertúra m vonal pár / mm 500* numerikus 1000* numerikus apertúra apertúra 0,04 6,9 145 20 40 0,12 2,3 436 60 120 0,25 1,1 910 125 250 0,5 0,55 1820 250 500 0,65 0,42 2380 325 650 0,75 0,37 2730 375 750 0,95 0,29 3450 475 950 1,3 0,21 4750 650 1300 1,4 0,19 5090 700 1400 1. táblázat. A numerikus apertúra hatása a felbontóképességre és a hasznos nagyításra Digitális mikroszkópok Egyre elterjedtebbek a digitális mikroszkópok, ahol a tárgylencsével a CMOS vagy CCD érzékelő egybe van építve. Nagy mélységélesség érhető el mélységélesség szeletelő összerakó eljárással, és közvetlenül a képernyőn lehet a vizsgált alkatrészen lévő méreteket mérni. Ez a technológia sok lehetőségeket rejt magában az optika és a képszenzor összeintegrálása miatt. Előny a kevesebb alkatrész használata is. érintőkapcsoló: Autofókusz nagyítás rögzítő: nem szabad használni nagyítás váltó: óvatosan tekerni, másik kézzel a házat fogva polárszűrő: forgatásával a tükröződés csökkenthető 16. ábra. A mérésben szereplő fehér LED-es megvilágítású digitális USB-mikroszkóp 50-200-szoros nagyítással, 5 megapixeles érzékelővel, mélységélesség összerakási lehetőséggel. 9
A Dino Lite Edge képét megjelenítő Dino Capture program kiinduló menüje mérési lehetőségek fotózás videó EDR kép készítés utána ide be kell írni a mikroszkópon beállított nagyítást mélységélesség összerakás Az EDR a Extended Dinamic Range rövidítése: a kép dinamika tartományának kiterjesztését jelenti. Sötét, középtónusú és világos képből összegyúr a szoftver egy olyan képet, ahol a világostól a középtónuson át a sötét tónusig mindenhol vannak részletek (nincs pl. kiégés). kalibrált nagyítás választó, először ki kell választani az egyik kalibrált nagyítást, és ezt kell beállítani a mikroszkópon is. A sztereomikroszkóp Mivel az ember két szemmel térben lát, célszerű ezt a képességét a mikroszkópoknál is kihasználni. A 3. dimenzió lehetőséget teremet arra, hogy az egész alkatrészt térben áttekintsük a sztereomikroszkóppal. Gyártósoroknál, bejövő áru átvételkor előszeretettel alkalmazzák apró alkatrészek ellenőrzésére. kamera csatlakozó okulárok zoom forgatógomb objektív élességállító felső megvilágítás alsó megvilágítás 17. 10-45X nagyítású STO 8 LED típusú laborunkban működő sztereomikroszkóp képe 10
A sztereomikroszkóp által mutatott térbeli kép megjelenítése nem minden embernél egyszerű: különböző szemhibák miatt, és amiatt, hogy az agy rakja össze a két szem által alkotott képeket térbelivé. Van egy javasolt beállítás sorozat, mely esetén könnyebb térbeli képet kapni: - válasszunk olyan mintát, amelyen vannak magasságbeli különbségek - állítsuk a zoom tárcsát legkisebb nagyításra - állítsuk be az élességet - ezután a két szemlencsét tartalmazó cső közelítésével, távolításával állítsuk be a pupillatávolságot. Ha nem járnánk sikerrel így sem, akkor próbálkozzunk a dioptriaállító gyűrűn állítani a két szem közti dioptria különbségnek megfelelően. Ha bejött a térbeli kép már zoomolhatunk. A sztereomikroszkóp két sugármenete kb. 14-17 fokot zár be, mely megegyezik azzal a szöggel, melyet a két szem tengelye zár be a tisztánlátás távolságában (25 cm) való nézésnél A térbeli képnek az az ára, hogy kicsi a nagyítás: kb. 5-80-szoros nagyítás között szokták használni ezt a mikroszkópfajtát. Azért sem jó a nagy nagyítás, mert drasztikusan lecsökken a mélységélesség. A sztereomikroszkóp megvilágítása történhet külső fókuszált fényű halogénlámpával, LED-ekkel, gyűrűsfénnyel (18. ábra), ez egyenletes, árnyékmentes megvilágítást tesz lehetővé. 18. ábra. LED-es gyűrűsfényes megvilágítás sztereomikroszkóphoz 19. ábra. Egy speciális célú sztereomikroszkóp: az operációs mikroszkóp szemészeti, mikro sebészeti beavatkozásokhoz. A mikroszkópos mérés, a mérőmikroszkóp Sokszor fordul elő, hogy a mikroszkópos képen mérni kell, lássuk milyen lehetőségeink vannak rá: - Ma nagyon gyakori a mikroszkópra szerelt kamera, mely képét a monitorra továbbítja (a gyakorlaton is ilyet használunk), a számítógépre telepített képelemző szoftverrel egy ismert etalonnal való kalibráció után tudunk hosszméreteket, szögeket mérni. Az ismert etalon egy tárgymikrométer, mely nevével ellentétben 0,01 mm-es osztású: 21. ábra. - Vannak speciális mérőmikroszkópok is (20. ábra.), melyeknél egy szálkereszt X és Y koordinátáit lehet leolvasni, vagy egy gombnyomásra számítógépes Excel fájlba bevinni. Egyes mérőmikroszkópok 3 koordinátás érintésmentes mérést tesztnek lehetővé. - Régebben mérőokulárokat használtak, melyekkel kalibráció után hosszméreteket lehet mérni. Egy másik mikroszkóp alatt végezhető mérés a mikro keménység mérés: a mintán kis távolságokra egymástól lehet Wickers-féle keménységet mérni. 11
20. ábra. Mitutoyo mérő-mikroszkóp 50x100 mm munkaterülettel, alsó (kontúr) és felső megvilágítással, mikrométeres mérési felbontással. 21. ábra. Tárgymikrométer: üveglapba karcolt 0,01 mm távolságú osztások Az átlagos szemcseátmérő meghatározása fémcsiszolatokon. Különösen fontos a szemcsék méretének ismerete, ugyanis az anyagok tulajdonságai szemcseméret-függők. A periodikus mechanikai igénybevételt a finomszemcsés anyagok jobban bírják, mint a durvaszemcsések. Az átlagos szemcseméret (d) legegyszerűbben úgy határozható meg, hogy egy L0 hosszúságú egyenes vonal Lo által "metszett" szemcsék száma (N) ismeretében képezzük az alábbi hányadost: d. Ahol nagyobb a N szórás, ott informatívabb, ha néhány jellemző méretű szemcsét megmérünk, és azt becsüljük meg, hogy ebbe a tartományba a szemcsék hányad része tartozik. Mikroszkópi fém minták előkészítése A vizsgálathoz a mintán nagyon sima, sík felületet kell kialakítani, a mikroszkóp kis mélységélessége miatt. Amennyiben túlságosan kicsi a minta, a könnyebb kezelhetőség érdekében műgyantába ágyazzák Mikroszkópi fém mintákat először öt- hat-féle, egyre finomabb csiszolópapírral csiszolják, majd polírozzák. A polírozott mintán általában a repedések, üregek, zárványok, és az egymástól eltérő színű fázisok vizsgálhatóak. Ezután a fázishatárok és a krisztallit határok láthatóvá tétele maratással történik. Félvezetők fénymikroszkópos vizsgálata 22. ábra. Az oxidréteg tetejéről és a szilícium egykristályról visszaverődő fénysugarak interferálnak: kioltják, vagy erősítik egymást. 23. ábra. Ezért a különböző vastagságú oxidréteggel fedett területek különböző színűnek látszanak 12
Levonatkészítés (replikakészítés) Ha a tárgyat valami miatt (túl nagy, nem elvihető) nem lehet a mikroszkóp alá helyezni, akkor egy képlékeny műanyag fóliát nyomnak a felületre, ez felveszi a minta alakját, s amikor megköt, a mikroszkóp alá helyezik. A mikroszkóp tisztítása A mikroszkóp optikai felületei az antireflex (tükröződéscsökkentő) réteg miatt rendkívül kényesek. Az ujjlenyomatot, bármilyen más lerakódást minél hamarabb speciális eszközökkel el kell távolítani. Mikroszálas optika törlőkendő és optikatisztító folyadék szükséges ehhez. A hallgatók ezt nem végezhetik. Mikroszkópos fényképezés, mikroszkópos képelemző szoftverek Általában a mikroszkóp gyártójától származó megoldások a legjobbak felvétel készítésére, de ezek a legdrágábbak is, általában képelemző szoftverrel együtt szállítják őket. Videokamerát, digitális kompakt, vagy tükörreflexes fényképezőgépet projekciós adapterrel lehet az okulár helyére helyezni és fényképet készíteni. Ma már kapni úgynevezett digitális okulárokat, melyeket egyszerűen az okulár helyére kell tenni. Fontos megvizsgálni: - -a leképezett terület átmérőjét - -a mélységélességet, mert a fotóadapter megváltoztathatja, - -a kép felbontását. A mikroszkópos képekre kötelező ráfotózni egy skálát, különben nem tudjuk mekkora a lefényképezett rész. A fehéregyensúly beállítása is fontos, hogy helyes legyen a kép színvilága. Kontrasztnövelő eljárások Vannak olyan mikroszkópi tárgyak, ahol kicsi a világosság eltérés a kép egyes részei között, tehát rossz a kontraszt. Ez esetben igénybe lehet venni kontrasztnövelő eljárásokat: pl. interferenciakontraszt objektívet, fáziskontraszt eljárást, polarizált fényű megvilágítást, érdemes a szakirodalomban utánanézni a választéknak. Nagy nagyítású mikroszkópok Az optikai mikroszkópok felbontóképességének, ezzel együtt az elérhető hasznos nagyításnak a fény hullámhossza szab határt. Ha más sugárforrást, elvet alkalmazunk nagyobb felbontóképességet, nagyítást lehet elérni a következő eljárásokkal: - Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM az angol rövidítésből), - Transzmissziós elektronmikroszkóp (ezt műszaki területen kevésbé használják) - Alagút mikroszkóp, - Atomi erő mikroszkóp Ezekről az előadásanyagban volt szó, illetve a szakirodalomban található információ. 13
Előtag Jele Szorzó hatvánnyal számnévvel giga- G 10 9 milliárd mega- M 10 6 millió kilo- k 10 3 ezer 10 0 egy milli- m 10 3 ezred mikro- µ 10 6 milliomod nano- n 10 9 milliárdod piko- p 10 12 billiomod 2. táblázat. Prefixumok (egyezményes szorzótényezők) a legtöbb mérésnél használjuk őket. 24. ábra. Mi mekkora a természetben: hogy tudjuk mihez viszonyítani a mért adatok nagyságrendjét. Ellenőrző kérdések: 1. Melyek a mikroszkóp fő funkcionális elemei, mik ezek feladatai? 2. Anyagvizsgáló mikroszkóp tárgy megvilágítási lehetőségei. 3. Sztereomikroszkóp felépítése. 4. Digitális USB mikroszkóp felépítése, használata 5. Lencsehibák. 6. Tárgylencse jelzései, értelmezése, típusai. 7. Mi a numerikus apertúra, milyen képalkotási paramétereket határoz meg? 8. Mi az össznagyítás, a felbontóképesség, a mélységélesség? 9. Mi a nagyítás és a mélységélesség kapcsolata? 10. Hogy készítjük elő a mintákat a mikroszkópos vizsgálatokhoz? 11. Hogy lehet meghatározni az átlagos szemcseméretet? Felhasznált irodalom: [1]. Bernolák-Szabó-Szilas: A mikroszkóp (zsebkönyv). 1979, Műszaki Könyvkiadó, Budapest [2]. Lovas Béla: Mikroszkóp-mikrokozmosz. 1995. Gondolat Kiadó, Budapest [3]. A korábbi laboratóriumi útmutató: Dr. Csiszár Sándor: Mikroszkóp Villamosipari anyagismeret (Laboratóriumi gyakorlat) [4]. Determann Lepusch: Das Mikroskop und seine Anwendung Ernst Leitz Wetzlar GmbH [5]. www.zeiss.de/micro [6]. http://micro.magnet.fsu.edu/ 14
Mikroszkópia gyakorlat 2018 Mérést végezte: (név, neptun kód, laborcsoport Gyakorlatvezető: Mérés ideje: Érdemjegy: A mikroszkópok optikai lencséit és a fémcsiszolatokat felületét tilos kézzel megérinteni! A mikroszkópok részeinek funkciói, ami egyben a használati utasítás a jegyzetben megtalálható. 1. Írja le a gyakorlatvezető által kijelölt mikroszkóp részeit részletes magyarázattal, a magyarázatot otthon is elkészítheti. A kijelölt anyagvizsgáló mikroszkóp: [ ] Zeiss Epityp fordított állású anyagvizsgáló mikroszkóp [ ] Zeiss Neophot 21 fordított állású mikroszkóp 2. Határozza meg egy adott tárgylencsével a mikroszkóp nagyítását indoklással: 3. Írja fel a kijelölt tárgylencse adatait (a lencse felületét tilos megérinteni!): Adat Magyarázat Gyártó Leképezési korrekció Nagyítás Numerikus apertúra Fedőüveg vastagsága Végtelen korrekció Lát-e a lencsén antireflexiós réteget, ha igen milyen színű 4. A numerikus apertúra alapján a segédletből keresse ki / számolja ki a következő adatokat Felbontóképességet: A hasznos nagyítás tartománya: 15
5. Milyen viszonyban van a 2. pontban meghatározott és az 5. pontban kikeresett nagyítás? Magyarázza meg a kapott eredményt. 6. feladat 3 db mikroszkópi fémcsiszolat minta azonosítása a mellékelt fotósorozattal alapján (magyar elnevezés, tulajdonságok leírása) 7. Egy, kiválasztott mintán átlagos szemcseátmérő meghatározása (részletesen írja le a lépéseket!) Fotózza le a vizsgált mintákat és azon jelölje a méreteket. A képernyő vízszintes mérete: A képernyő vízszintes mérete mentén hány szemcse van: Az átlagos szemcseátmérő kiszámítása (ld. Mérési segédlet): 8. Dino Lite Egde USB mikroszkóppal a gyakorlatvezető által megadott méretek lemérése, képjavítás, mentés. Fotózza le a vizsgált mintákat és azon jelölje a méreteket. 9. Milyen funkciókban előnyösebb az USB mikroszkóp az anyagvizsgálóhoz képest: 10. Megfigyelések sztereo mikroszkóppal: írja le milyen mintákat vizsgált: 11. Melyik mikroszkópot milyen szakmai területen / milyen mintákhoz használná (válaszát indokolja): - Anyagvizsgáló mikroszkóp: - USB mikroszkóp - Sztereo mikroszkóp 16