Základy světelné mikroskopie

    Světlo můžeme chápat jako příčné vlnění spojitého elektromagnetického pole či jako proud částic. Pokud tedy světlo chápeme jako vlnění můžeme jej znázornit sinusoidou a charakterizovat ho vlnovou délkou a amplitudou. Na vlnové délce světla závisí jestli je pro lidské oko viditelné popř. jeho barva. Viditelné světlo je charakterizováno vlnovou délkou v rozsahu od 380 až do 780 nm. Jedná se sekvenci barev zvanou jako světelné spektrum a barvy, které ho tvoří nazýváme jako barvy spektrální. Stejně jako můžeme stanovit vlnovou délku také můžeme udat amplitudu, na které závisí intenzita světla.

    Pokud se světlo skládá z paprsků jen jedné vlnové délky (odpovídající jen jedné spektrální barvě) jedná se o světlo monochromatické (jednobarevné). Kdežto světlo, které obsahuje paprsky více vlnových délek, nazýváme polychromatické (mnohobarevné). Světlo obsahující paprsky všech vlnových délek označujeme jako bílé světlo a i tak ho vnímáme. Rozklad bílého světla pomocí hranolu je na obr. 2a,b.

Obr. 1 Spektrum elektromagnetických vln

Obr.2a,b  Rozklad světla pomocí hranolu

    Základním vybavením každé metalografické laboratoře je světelný mikroskop (obr.3). Světelné mikroskopy využívají pro zobrazení soustavu čoček, pro které platí zákony světelné optiky. Kromě omezeného zvětšení a malé hloubky ostrosti nemá světelný mikroskop další nevýhody. Naopak, jeho výhodou je jednoduchá obsluha a údržba. V praxi se vyskytují dva typy mikroskopů, a to v normálním uspořádání a v převráceném  (Le Chatelierově) uspořádání - obr.4.

Obr.3 Schéma světelného mikroskopu

Obr. 4 Schéma uspořádání světelných mikroskopů

vlevo - v normálním uspořádání

vpravo - v převráceném (Le Chatelierově) uspořádání

    Základními charakteristikami světelného mikroskopu jsou:

Rozlišovací schopnost objektivu

    Rozlišovací schopnost objektivu d je definovaná jako vzdálenost dvou bodů, které jsou při pozorování mikroskopem od sebe jasně rozlišitelné. Pro kolmé osvětlení platí:

d = l / A

pro šikmé osvětlení platí:

d = l / 2A

kde        d - rozlišovací schopnost objektivu

             l - vlnová délka světla použitého pro osvětlení

             A - numerická apertura objektivu

    Numerická apertura objektivu A je daná vztahem:

A = n . sin a

kde        n -  je index lomu prostředí mezi objektivem a pozorovaným předmětem

             a -  polovina otvorového úhlu objektivu (spojnice nejkrajnějších paprsků

                   odražených od předmětu, které jsou objektivem zachycené - obr. 4)

Obr. 4 Otvorový úhel objektivu

    Rozlišovací schopnost se zlepšuje (tj. snižuje se hodnota d) při použití objektivů s vyšší hodnotou numerické apertury A, při použití imerzních objektivů (zvýšení hodnoty indexu lomu n) a při použítí světelných filtrů, propouštějících světlo s kratší vlnovou délkou ( při bílém světle l = 600 nm, při žlutozelené barvě l = 565 nm, při modré barvě l = 455 až 475 nm).

Index lomu

    dopadá-li paprsek z prostředí s indexem lomu n₁ do prostředí s indexem lomu n₂, dochází k lomu paprsku. Lomený paprsek zůstává v rovině dopadu. Úhel dopadu značíme a, úhel lomu značíme b.

Pro tyto úhly přitom platí:

sin a / sin b = n₁/n₂

Obr.5 Index lomu graficky

Hloubka ostrosti objektivu

    Hloubka ostrosti objektivu H, je schopnost mikroskopu zobrazit předměty ležící mezi dvěma rovinami. Je nepřímo úměrná hodnotě numerické apertury. Metalografické mikroskopy jsou běžně vybavené aperturní clonou, kterou je možné regulovat kužel procházejících světelných paprsků. Zavřením aperturní clony se zvyšuje hloubka ostrosti, ale snižuje rozlišovací schopnost. Při větších zvětšeních(nad 300x) je přivření aperturní clony pro zabezpečení ostrosti často nevyhnutelné (závisí na kvalitě použitých objektivů). Při nadměrně zúžené cloně však vznikají dvojité obrysy (interferenční čáry) a obraz neposkytuje správnou představu o struktuře.

H = d / tg a

kde 2a je vstupní úhel použitého objektivu.

    Pro nejlepší objektivy jejichž otvorový úhel dosahuje hodnot až 80° platí, při uvažování ideální rozlišitelnosti lidského oka 0,3 mm, že maximální hodnota hloubky ostrosti, jenž je světelný optický mikroskop schopen dosáhnout je cca 0,05mm.

Celkové zvětšení mikroskopu

    Celkové zvětšení mikroskopu se rovná součinu vlastního zvětšení okuláru (nejčastěji 10x) a objektivu.

Zv _{celk. mikroskopu}  =  Zv. _okuláru  x   Zv. _objektivu

Užitečné zvětšení

    Užitečné zvětšení Z_u:

Z_u = d₁ / d = (500 až 1000) . A

    kde d₁ je rozlišovací schopnost lidského oka (v ideálním případě se rovná 0,3 mm při pozorování ze vzdálenosti 250mm).

    Při použití suchého objektivu s numerickou aperturou A a při kolmém osvětlení světlem s vlnovou délkou l = 600 nm je Z_u = 500A.

    Pokud je třeba zjistit ve struktuře nové detaily, není účelné použít silnější okulár, který umožnuje větší celkové zvětšení než Z_u (po překročení Z_u se neobjeví nové detaily, jedná se o prázdné zvětšení - princip digitálního zoomu), ale musí se použít objektiv s větším zvětšením a s větší numerickou aperturou.

Pozorování ve světlém poli

    Pozorování ve světlém poli (obr.6), které využívá kolmé osvětlení vzorků a pozorování odraženého světla, je základní metodikou optické světelné mikroskopie. Mikroskopy jsou běžně vybavené přídavnými fotografickými zařízeními, ke kterým je možné alternativně nasměrovat obraz struktury.

    Nedostatečný kontrast při tomto způsobu osvětlení se zvětšuje leptáním. Když leptání není dostatečně účinné, anebo nežádoucí, může se na zlepšení kontrastu použít některá z níže uvedených metod.

Obr. 6 Pozorování ve světlém poli

(kolmé osvětlení)

Pozorování při šikmém osvětlení

    Pozorování při šikmém osvětlení (obr.7) provádíme tak, že vysuneme aperturní clonu mimo optickou osu mikroskopu. Vzorek je poté osvětlován asymetricky, čímž se sice částečně sníží hodnoty otvorového úhlu objektivu, ale zvýší se kontrast. Kontrast poté umožňují povrchové nerovnosti vzorku.

Obr. 7 Pozorování při šikmém osvětlení

Pozorování ve tmavém poli

    Pozorování ve tmavém poli (obr.8) zvyšuje kontrast i při zachování otvorového úhlu objektivu. Dosáhneme to takovým šikmým symetrickým osvětlením povrchu vzorku, že objektiv nezachytí paprsky odražené od ploch kolmých na optickou osu objektivu. Do objektivu vstupují jen paprsky, které se odrážejí od povrchových nerovností. Jejich odraz na tmavém pozadí má potom vynikající kontrast. Při tomto osvětlení však vznikají velké ztráty světelné intenzity, což omezuje použitelnost metody tmavého pole.

Obr. 8 Pozorování ve tmavém poli

(šikmé osvětlení)

Světelná metalografická mikroskopie

    Světelná metalografická mikroskopie je základní metodou studia struktury kovů. Je založená na pozorování odraženého světla od rovinných řezů vzorků kovových materiálů světelným mikroskopem. Tato metoda umožňuje pozorovat a hodnotit strukturní útvary s rozměrem v rovinném řezu řádově 10³ až 10⁶ nm.

    V  řadě případů poskytuje tato metoda rychlé a spolehlivé informace o strukturních fázích, jejich morfologii, resp.mikrotvrdosti. Pro využití rozlišovací schopnosti světelného mikroskopu zejména zvýšením kontrastu obrazu (barevný kontrast), se používají přídavné adaptéry, nebo leptací techniky. Optické metody zviditelňování struktury použitelné jak v neleptaném stavu, tak i po naleptání jsou :

                            a)   světlé a tmavé pole  (viz. výše) 

                      b)   barevný kontrast     -   polarizované světlo

                                                         -   fázový kontrast                                      

                                                         -   interferenční kontrast  

                                                         -   použití filtrů

                                                         -   úprava povrchu (vrstvy)       

                                                         -   barevné leptání

Metody barevného kontrastu jsou podrobně rozpracovány v dalších kapitolách.

    Příklady možného rozšíření světelného mikroskopu o přídavné adaptéry pro různé pozorovací techniky a další příslušenství je na obr. 9.

Obr. 9 Možnosti rozšíření příslušenství

 světelného mikroskopu