Mikroszkópia gyakorlat Villamosipari anyagismeret laboratórium 2010 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 1. ábra. Biológiai mikroszkóp felépítése [4] 2 binokuláris (két szemes betekintésű) fej 3 revolveres tárgylencseváltó 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
Meg kell jegyezni, hogy az 1. ábra mikroszkópjának binokuláris feje 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. Az anyagvizsgáló mikroszkópok felépítése: Fémek, és más nem átlátszó minták felületének vizsgálata csak visszavert fényben történik. 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 működik a mérésben szereplő kamerával ellátott Zeiss anyagvizsgáló mikroszkóp is (4. 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. 2. Szemlencse =okulár: feladata az objektív által készített kép további nagyítása. Lehet mérőskálát, vagy szálkeresztet beleépíteni mérésekhez. A szemlencse virtuális (látszólagos) képet ad, amit a szemünkkel nézünk. 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. Az azonos tubushosszú mikroszkópok lencséi lehetnek felcserélhetőek. 4. Tárgyasztal a mintamozgató szerkezettel: biztosítja a minta rögzítését és a mozgatását. Legjobb az X-Y koordinátarendszer mentén mozgató fogaskerék-fogasléc kapcsolat. 2
5. Élességállító rendszer: a minta és a mikroszkópfej közötti távolságot állítja úgy, hogy a tárgy fókuszba kerüljön. Nagy nagyításoknál külön durva és élességállító szerkezet van, kis nagyításnál, pl. sztereomikroszkópnál elég egy, mert nagyobb a mélységélesség. 6. Váz és állvány: az elektromos és mechanikus részeknek megfelelő védelmet, ill. rezgésmentességet biztosít. Fontos, hogy nagy tömegű, stabil legyen, mert a nagy nagyítás használata a mikroszkópot ért rezgéseket is felerősíti. Legtöbbször öntött fémből készül. 7. Fényforrás: lámpaházban elhelyezett halogén izzó vagy xenonnal töltött kisülőlámpa, 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. 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. A mérésen szereplő Zeiss anyagvizsgáló mikroszkóp [3] 4. ábra. Le Chatelier rendszerű, vagyis fordított elrendezésű fémmikroszkóp. Előnye, hogy nagyobb tárgyat rá lehet tenni, mint a szomszédos képen szereplő mikroszkópra. [3] 3
Leképezési hibák Az optikai rendszereknél fontos a leképezési hibák minimalizálása, ez sokszor egymásnak ellentmondó feltételek közötti optimalizálást jelent. A szferikus aberráció (gömbi eltérés, 5. 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. Az ideális optikai rendszerek esetén paraxiális (az optikai tengellyel párhuzamos, ahhoz közeli sugármenettel számolnak) A szférikus aberráció ellen a lencse lerekeszelésével, néha aszférikus (nem gömbfelületű) lencsék alkalmazásával védekeznek. 5. ábra. Szferikus aberráció [3] 6. ábra. Kromatikus aberráció Kromatikus aberráció (színfüggő eltérés, 6. 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 ED (Extra Low Dispersion), azaz alacsony színszórású lencsét alkalmaznak. A geometriai torzítási hibák során az optikai rendszer egy egyenest görbén képez le, jellegzetes képviselői a 7.-9. ábrán láthatóak, ezeket legegyszerűbb egy négyzetrács leképezésén szemléltetni. 7. ábra. Hordós torzítás szemléltetése [3] 8. ábra. Hordós torzítás fényképezésnél 9. ábra. Párnás torzítás [3] 4
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). A bevonatokat vákuumgőzöléses eljárással viszik fel a felületekre. A többi leképezési hiba leírása megtalálható az [1] szakirodalomban. A mikroszkóp objektívek (tárgylencsék) -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. 10. ábra. Objektívek jelzései [5] A 10. ábrán az objektívek lehetséges feliratai láthatók: az objektív nagyítása (10x, 20x stb.), a numerikus apertúra, a végtelen korrekció, a minta fedő üveg vastagsága, ez az érték anyagvizsgáló mikroszkópoknál nulla, mivel nem világítják át a tárgyat; a korrekció szintje. Nagy nagyítású tárgylencséknél Oil vagy HI (homogeneous immersion) jelzés olaj immerzió alkalmazása esetén, így érhető el nagyobb numerikus apertúra (14.ábra). 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. 5
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 (11. ábra.) 11. ábra. A nagyítás növelése a mélységélesség csökkenését okozza (Keyence gyártm. mikroszkóp) 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 vonal pár/mm-be is. Vannak tesztábrák egyre finomabb feketefehér 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 12. 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. Vonal pár / mm-ben mért felbontóképesség az USAF felbontás vizsgáló ábrán csoportszám Elem -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 1 0.250 0.500 1.00 2.00 4.00 8.00 16.00 32.0 64.0 128.0 2 0.280 0.561 1.12 2.24 4.49 8.98 17.95 36.0 71.8 144.0 3 0.315 0.630 1.26 2.52 5.04 10.10 20.16 40.3 80.6 161.0 4 0.353 0.707 1.41 2.83 5.66 11.30 22.62 45.3 90.5 181.0 5 0.397 0.793 1.59 3.17 6.35 12.70 25.39 50.8 102.0 203.0 6 0.445 0.891 1.78 3.56 7.13 14.30 28.50 57.0 114.0 228.0 12. ábra. USAF rendszerű felbontás vizsgáló ábra a felbontóképesség táblázattal 6
Persze nem mindegy, hogy egy adott felbontóképességet milyen kontrasztviszonyok mellett tud a mikroszkóp. Ha a fekete vonal tényleg feketének, a fehér valóban fehérnek látszik, azt mondjuk nagy a kép brillanciája. A numerikus apertúra A tárgylencse numerikus apertúrája közvetlenül meghatározza a felbontóképességet és az elérhető hasznos nagyítást, ezért erre külön ki kell térnünk. λ A mikroszkóp felbontása: d = 2nsinα Ahol λ a megvilágító fény hullámhossza, ezért lehet ennek csökkentésével: pl kék színű megvilágítással a felbontóképességet növelni. n a tárgylencse és a minta közötti közeg törésmutatója. α a tárgylencse által befogadott sugárnyaláb fél kúpszöge ld. 13. ábra. A képletből az NA = n. sin α mennyiséget nevezzük numerikus apertúrának. Valójában ez a tárgylencse és a fényt koncentráló kondenzor numerikus apertúrájának átlaga (de jól összehangolt esetben a kettő megegyezik). 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 (14. ábra.) és a törésmutató, ami magasabb numerikus apertúrát jelent. 13. ábra. Nagy (Low) és kicsi (High) numerikus apertúrájú tárgylencse. A kisebb numerikus apertúránál kisebb a tárgylencse által befogadott sugárnyaláb 14. ábra. Immerziós közeg hatása a numerikus apertúra értékére [3]. 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. 7
NA = numerikus Felbontóképesség Felbontóképesség A szükséges nagyítás határai apertúra µm vonal pár / mm 500*NA 1000*NA 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 15. ábra. 500-5000-szeres nagyítás között állítható Keyence digitális mikroszkóp. 16. ábra. A mérésben szereplő fehér LED-es megvilágítású digitális USB-mikroszkóp 40-szeres és 140-szeres nagyítással. Digitális mikroszkóp, melybe már nem lehet belenézni: CCD vagy CMOS érzékelőre készít képet, melyet számítógépes monitorra továbbít. A 19. ábrán szereplő oldalsó toldalék a fény bevezetésére szolgál. A gyakorlaton is találkoznak hasonló felépítésű USB-mikroszkóppal (20. ábra.). 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. 8
Dioptriakorrekció Dobváltós nagyításállító Élességállító 17. ábra. PZO sztereomikroszkóp képe a két okulár távolsága állítható. 18. ábra. Dobváltós nagyításállítású sztereomikroszkóp felépítése Ok-okulárok, Pr-képfordító prizmarendszer, tengelye körül állítható a pupillatávolság. [1]. A sztereomikroszkóp (17. és 18. ábra) 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. Az Objektíven belüli G-Galilei távcsöves rendszer (22. ábra) megnöveli a nagyítást, fordítva alkalmazva viszont lecsökkenti, így ugyanazt az optikai elemet kétszer használják A térbeli képnek az az ára, hogy kicsi a nagyítás: kb. 5-40-szeres nagyításig szokták használni ezt a mikroszkópfajtát. Azért sem jó a nagy nagyítás, mert drasztikusan lecsökken a mélységélesség. A sztereomikroszkóp megvilágítása történhet külső fókuszált fényű halogénlámpával, gyűrűsfénnyel (száloptikás, fénycsöves, LED-es : 19. ábra), a gyűrűsvakut makroobjektív köré szerelve közelfényképezéshez használják, mert egyenletes, árnyékmentes megvilágítást tesz lehetővé. 19. ábra. LED-es gyűrűsfényes megvilágítás sztereomikroszkóphoz 20. ábra. Egy speciális célú sztereomikroszkóp: az operációs mikroszkóp szemészeti, mikro sebészeti beavatkozások-hoz. 9
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: 22. ábra. - Vannak speciális mérőmikroszkópok is (21. 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. - Léteznek mérőokulárok, melyekkel kalibráció után hosszméreteket lehet mérni. 21. ábra. A Mikroelektronikai és Technológiai Intézet mikrométer felbontású mérő-mikroszkópja 50x100 mm munkaterülettel, alsó (kontúr) és felső megvilágítással 22. 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 L 0 hosszúságú egyenes vonal által "metszett" szemcsék száma (N) Lo ismeretében képezzük az alábbi hányadost: d = N 10
Mikroszkópi fém minták előkészítése A vizsgálathoz a mintán nagyon sima, síkfelületet kell kialakítani, a mikroszkóp kis mélységélessége miatt. Amennyiben túlságosan kicsi a minta, a könnyebb kezelhetõség 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 23. ábra. Az oxidréteg tetejéről és a Szilícium egykristályról visszaverődő fénysugarak interferálnak: kioltják, vagy erősítik egymást. 24. ábra. Ezért a különböző vastagságú oxidréteggel fedett területek különböző színűnek látszanak 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, s amikor megköt a mikroszkóp alá helyezik ld. 25. és 26. ábra. 25. ábra. Celluloid levonat selyemről [2] 26. ábra. Kollódium levonat: Vickers keménységmérés lenyomatok vörösrézen 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. 11
A mikroszkóp finommechanikája A mikroszkóp egy finommechanikai-optikai rendszer, ezért jobban őrzi értékét, kevésbé avul el, mint a sokszor hozzá csatlakozó elektronikai, számítástechnikai részek. Most nézzünk néhány részegységet: min múlik, hogy egy mikroszkóp finommechanikája precízen működjön. A 27. ábra a mikroszkóp élességállító vezeték, a 28. ábra pedig az élességállító rendszer működését mutatja. 27. ábra. Golyós vezetékes magasságállítás: az alacsony súrlódás alapfeltétele a pontos finombeállításnak. A kotyogást a 4.- jelű rugós feszítés hárítja el. [4] 28. ábra. Csigás élességállító rendszer: ha a T-jelű gombot egyszer körbetekerjük az S-csiga 1-fognyit fordít a B-fogaskeréken, melynek hatására a C-kisebb osztású fogaskerék 1 kis fognyit emel a D-fogaslécen. A konstrukció egy bonyolult finombeállító rendszert is tartalmaz. [4] 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. Ma már mindegyik mikroszkópos fényképezési megoldás CCD vagy CMOS érzékelőkkel dolgozik. Ezek mátrixszerűen elhelyezett fényérzékeny félvezetők, melyek csak a fény mennyiségét mérik, a színes képhez mozaikszerűen elrendezett színszűrő réteget kell rájuk helyezni (29. ábra.). A mikroszkópos képelemző szoftvereken távolságokat, szögeket lehet mérni, képeket lehet rögzíteni. Néhány program több, különböző mélységélességű képből egy éles képet tud összerakni (30. ábra) Más képjavító programokat is lehet használni kontrasztnövelésre, 12
világosságkorrekcióra, zajcsökkentésre, élesítésre: ezekkel egy mikroszkóppal fotózott kép lényegesen javítható. 29. ábra. Bayer-féle színszűrő a CCD érzékelő felett. 30. ábra. A képelemző szoftver kiemeli az egyes képek éles területeit, ebből rakja össze a balra eső éles képet Nagy nagyítású mikroszkópok Eddig fénymikroszkópokról volt szó, most egy elektronsugárral működő mikroszkópról lesz szó, melynek a sugárzás kis hullámhossza miatt nagy a felbontóképessége, így a nagyítása is. A nagy nagyítású mikroszkópok az előadásanyagban szerepelnek, így most csak egy olyan mikroszkópról essen szó, mely a mérnöki gyakorlatban inkább előfordulhat: a szkenning elektronmikroszkópról (SEM). Mint korábban láttuk, a felbontóképességnek döntően a fény hullámhossza szab határt. Az elektron-nyaláb hullámhossza viszont a sebességével (=a gyorsító feszültséggel) fordított arányban változik, így a felbontás a nanométeres tartományig javítható. Az optikai mikroszkóppal szemben egyetlen hátránya, hogy nem színes, hanem szürkeskálás képet ad (ami színes elektronmikroszkópos kép azt számítógéppel utólag színezték). Óriási előnye a letapogatási elvből (31. ábra) eredő nagy mélységélesség (32. ábra.). A pásztázó elektron-nyaláb a képalkotás mellett felhasználható az adott terület anyagösszetételének akár pontról pontra történő meghatározására (EDS analízis). 31. ábra. Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) elve: a tömbmintát pontonként tapogatja le 32. ábra. Lézerrel bevágott 1,800 mm átmérőjű cső SEM-képe: látszik a nagy mélységélesség 13
Szorzó Előtag Jele 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. Ellenőrző kérdések: 33. ábra. Mi mekkora a természetben: hogy tudjuk mihez viszonyítani a mért adatok nagyságrendjét. 1. Melyek a mikroszkóp fő funkcionális elemei, mik ezek feladatai? 2. Anyagvizsgáló mikroszkóp tárgy megvilágítási lehetőségei. 3. Sztereomikroszkóp felépítése. 4. Lencsehibák. 5. Tárgylencse jelzései, értelmezése, típusai. 6. Mi a numerikus apertúra, milyen képalkotási paramétereket határoz meg? 7. Mi az össznagyítás, a felbontóképesség, a mélységélesség? 8. Mi a nagyítás és a mélységélesség kapcsolata? 9. Hogy készítjük elő a mintákat a mikroszkópos vizsgálatokhoz? 10. Hogy lehet meghatározni az átlagos szemcseméretet? 11. Mit tud a szkenning elektronmikroszkópról? Felhasznált irodalom: A Magyarországon nyomtatásban megjelent legjobb mikroszkópos szakkönyvek a következők: [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 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 jegyzet 3. oldalán található. 1. Írja le a gyakorlatvezető által kijelölt mikroszkóp részeit részletes magyarázattal, a magyarázatot otthon is elkészítheti. A kijelölt anyagvizsgáló mikroszkóp: [ ] Zeiss egyenes állású anyagvizsgáló mikroszkóp [ ] Zeiss Epytip fordított állású mikroszkóp 2. Határozza meg egy adott tárgylencsével a mikroszkóp nagyítását indoklással: 3. Mérje meg a mikroszkóp látómezejét egy adott tárgylencse használata esetén: mérőeszköz: látómező átmérője: 4. Írja fel a kijelölt tárgylencse adatait (a lencse felületét tilos megérinteni!): Magyarázat Gyártó - Leképezési korrekció Nagyítás Numerikus apertúra Fedőüveg vastagsága Végtelen korrekció Lát-e a lencsén antireflexiós réteget, ha igen milyen színű 5. A numerikus apertúra alapján a segédletből keresse ki / számolja ki a következő adatokat 15
Felbontóképességet: A hasznos nagyítás tartománya: 6. Milyen viszonyban van a 2. pontban meghatározott és az 5. pontban kikeresett nagyítás? Magyarázza meg a kapott eredményt. 7. feladat 3 db mikroszkópi fémcsiszolat minta azonosítása a mellékelt fotósorozattal alapján (magyar elnevezés, tulajdonságok leírása) 8. Egy, kiválasztott mintán átlagos szemcseátmérő meghatározása (részletesen írja le a lépéseket!) A képernyő vízszintes mérete: A képernyő vízszintes mérete mentén hány szemcse van: Az átlagos szemcseátmérő kiszámítása (ld. Mérési segédlet): 9. Képelemző programmal a gyakorlatvezető által megadott méretek lemérése, képjavítás. Furatátmérő mérése 2 NYÁK lemezen: Feliratok, kivágás, kontrasztnövelés a képjavító szoftverrel. 10. Megfigyelések sztereo és fémmikroszkóppal: írja le milyen mintákat vizsgált: 11. Írja le véleményét a mérésekről! 16