Типы микроскопов и методы оптической микроскопии
В зависимости от круга решаемых задач микроскопы могут быть учебными, рабочими, лабораторными, исследовательскими, универсальными. В наиболее простых моделях имеется, как правило, ограниченный выбор окуляров и объективов. В сложных моделях микроскопов применяют широкий набор наиболее совершенной оптики, имеются штатив жесткой конструкции, встроенный осветитель, предметный стол с двухкоординатным перемещением препарата, приспособления для различных взаимодополняющих методов исследования, устройства для микрофотографии, микрофотометрии и др.
Структуру любого объекта (препарата) можно различить, если разные его частицы по-разному поглощают и отражают свет, либо отличаются одна от другой (или от среды) показателями преломления. Эти различия обусловливают разницу амплитуд или фаз световых волн, прошедших через разные участки препарата, от чего, в свою очередь, зависит контрастность изображения. В зависимости от свойств изучаемого объекта и задач исследования существуют различные методы наблюдения, дающие несколько отличающиеся изображения объекта.
Метод светлого поля в проходящем свете наиболее распространен. Он используется для исследования прозрачных объектов с включенными в них абсорбирующими частицами и деталями. Пучок света, проходя через непоглощающие зоны препарата, дает равномерно освещенное поле. Абсорбирующая частица на пути пучка света частично поглощает его, частично рассеивает, вследствие чего амплитуда прошедшего через частицу света будет меньше и частица выглядит на светлом фоне темным пятном. Контраст изображения микроструктуры объекта тем больше, чем большим поглощением в видимой области спектра обладает абсорбирующая частица.
|
|
|
Метод светлого поля в отраженном свете применяют для наблюдения непрозрачных объектов, например, шлифов металлов, сплавов, рудных минералов.
Метод темного поля в проходящем свете применяют в биологии, главным образом для наблюдения прозрачных неабсорбирующих объектов, невидимых при методе светлого поля.
Рабочие микроскопы, используемые в цеховых условиях, имеют увеличение порядка 40Х, поле зрения около 5 мм, разрешающую способность ~ 3,5 мкм. Их используют при контроле поверхностей, имеющих гальваническое покрытие, окрашенных и полированных поверхностей, для обнаружения трещин, пузырей и других дефектов, для измерения небольших отверстий в штампах, шаблонах и т. п.
Измерительные микроскопы используются в машиностроении для точных измерений линейных размеров объекта. При этом возможны два способа измерений:
- измеряется непосредственно величина изображения объекта в фокальной плоскости окуляра с помощью шкалы или винтового окулярного микрометра, а затем по известному значению увеличения микроскопа вычисляется измеряемое расстояние на объекте;
|
|
|
- микроскоп используется для наводки на интересующие места объекта, а расстояние между ними определяется по относительному перемещению микроскопа и объекта.
Точность измерения линейных размеров от 0,01 мм до 0,001 мм, угловых – от 10 до 1 секунд, предел измерения линейных величин 50 – 200 мм.
Микроскопы металлографические используются для исследования микроструктуры металлов и других непрозрачных объектов. Образцы металла – шлифы – предварительно полируются и протравливаются, благодаря чему зерна структуры становятся отличными друг от друга. Особенностью оптической системы металлографических микроскопов является то, что они предназначены для работы только в отраженном свете. Объективы металлографических микроскопов проектируют изображение шлифа на бесконечно удаленную плоскость и работают совместно с дополнительной линзой, переносящей изображение в фокальную плоскость окуляра. Металлографические микроскопы, как правило, отличаются от других типов микроскопов тем, что у них предметный столик расположен над объективом. Благодаря этому образец устанавливается на столике исследуемой полированной поверхностью вниз, а остальная его поверхность может иметь произвольную форму. Такое расположение столика позволяет также помещать на нем громоздкие образцы.
|
|
|
Набор ахроматических и апохроматических объективов, окуляров и гомалов (отрицательные оптические системы) обеспечивает общее увеличение микроскопа при визуальном наблюдении от 100х до 1350х, при фотографировании от 45х до 2000х. При работе в светлом поле объектив служит и конденсором. Для темнопольного освещения применяются зеркальные параболические конденсоры.
Фазово-контрастная микроскопия используется для наблюдения прозрачных непоглощающих объектов, которые отличаются от окружающей среды показателями преломления или толщиной. Вследствие этого различия световая волна, прошедшая сквозь объект, претерпевает изменения по фазе и приобретает так называемый фазовый рельеф. Фазовые изменения, не воспринимаемые непосредственно глазом или фотопластинкой, с помощью специальной фазовой пластинки (фазового кольца) переводят в амплитудные изменения (амплитудный рельеф), воспринимаемые глазом как изменения интенсивности.
|
|
|
Метод фазового контраста применяется в отраженном свете для изучения микронеровностей, загрязнений, нарушений структуры на полированных металлических образцах.
Метод интерференционного контраста состоит в том, что каждый луч, входящий в микроскоп, раздваивается: один проходит сквозь наблюдаемую частицу, второй – мимо. В окулярной части микроскопа оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой.
Интерференционная микроскопия используется для измерения и контроля тончайшей полировки поверхностей, когда степень шероховатости составляет несколько микрон, точность измерений достигает 1/300 λ. К достоинствам метода следует отнести то, что при контроле объект не нужно перемещать вручную.
Поляризационная микроскопия используется для исследования анизотропных объектов в поляризованном свете (проходящем и отраженном). У прозрачных объектов во многих случаях наблюдают интерференционные явления, которые изучаются либо в параллельных лучах (ортоскопия), либо в сходящихся лучах (коноскопия). Получаемые при этом изображения дают возможность определить знак двойного лучепреломления, количество осей объекта, их ориентацию и величину угла между осями. Наибольшее распространение поляризационная микроскопия получила в минералогии и кристаллографии, но применяется также и в металлографии.
Стереоскопическая микроскопия позволяет видеть предмет объемным за счет рассматривания его каждым глазом под разными углами. В стереомикроскопах по схеме Грену для этой цели служат две самостоятельные оптические системы, образующие между собой угол 15°, что соответствует расстоянию конвергенции 250 мм. В однообъективных стереомикроскопах разные углы зрения для глаз образуются за счет использования периферических зон выходного зрачка. В приборах этого типа с помощью дополнительной оптической системы возможно получение ступенчатого или плавного изменения увеличения без замены объектива и окуляров. Типичный диапазон увеличений в стереомикроскопах от 4 до 100 крат при рабочем расстоянии около 100 мм. При 10х – поле зрения около 25 мм.
Телевизионная микроскопия позволяет наблюдать микрообъекты на телеэкране. Микроскопы этого типа могут быть построены на основе схемы с передающей трубкой либо схемы с бегущим лучом. Если препарат освещать последовательно светом трех длин волн или изображение одновременно проецировать на три передающие трубки, то, передав сигналы с трубок на трехцветный кинескоп, можно получить на экране цветное изображение микрообъекта.
В телевизионном микроскопе с бегущим лучом используется оптическое сканирование препарата движущимся лучом света. Схемы с бегущим лучом дают возможность наблюдать в течение длительного времени живые клетки в УФ-лучах, поскольку на облучение каждой точки препарата затрачивается малая доля времени всего кадра.
Телевизионные микроскопы позволяют чисто электронным путем менять масштаб, контраст и яркость изображения. Достоинством телевизионной микроскопии является возможность дистанционно наблюдать объекты (например, радиоактивные). Современные видеомикроскопы изготавливают в миниатюрном исполнении с возможностью подключения непосредственно к компьютеру через USB – порт (рисунки 2.12 и 2.13).
Подобные видеомикроскопы имеют следующие характеристики:
– разрешение снимком 640х480 VGA;
– высококачественный CMOS-сенсор;
– три встроенные оптических линзы с различной увеличивающей способностью;
– увеличение 30x, 200x-400x, 400x-600x;
– встроенный микрофон;
– интерфейс USB 2.0;
– возможность использования устройства как веб-камеру;
– 2х USB 2.0 порта;
– масса устройства 348 гр.
Видеомикроскоп FiberInspector™ Mini (рисунок 2.13) используется для осмотра торцовых поверхностей установленного оптоволокна, чтобы убедиться, что они ровные и чистые.
Данный видеомикроскоп позволяет обнаружить следующие дефекты: повреждения, сколы торцевых поверхностей, царапины и пятна эпоксидной смолы на торцевых поверхностях, трещины или разрушение торцевых поверхностей, загрязнения.
Объектив с 200–кратным увеличением позволяет выполнять осмотр торцевых поверхностей как многомодового, так и одномодового оптоволокна, внутри портов и на коммутационных кабелях, миниатюрный дисплей имеет экран 1,8 дюйма с высоким разрешением, различные наконечники-адаптеры датчика позволяют проводить обследование через разъемы разных типов.
Рисунок 2.12 – Переносные миниатюрные видеомикроскопы
Рисунок 2.13–Видеомикроскоп FiberInspector Mini
Эндоскопические приборы
Общие сведения. Эндоскопы или интроскопы – это смотровые приборы, построенные на базе линзовой или волоконной оптики, механиче-
ских устройств и источников освещения.
Принцип действия эндоскопов заключается в осмотре объекта контроля с помощью специальной оптической системы (часто типа «микроскоп», «телескоп»), позволяющий передавать изображение на значительные расстояния (до нескольких десятков метров) с отношением эффективной длины эндоскопа L (вводимой в объект контроля части корпуса) к его наружному диаметру d: L/d >> 1.
С конструкторской точки зрения эндоскоп как оптический прибор представляет собой устройство, содержащее две оптические системы (канала) – наблюдательную (визуальную) и осветительную. Наблюдательная система эндоскопа – это часть эндоскопа, предназначенная для формирования и передачи изображения объекта к наблюдателю. Осветительная система эндоскопа - это часть эндоскопа, предназначенная для передачи светового излучения от осветителя к исследуемому объекту.
Отраженный исследуемым объектом свет поступает в наблюдательную систему эндоскопа, которая строит изображение исследуемого объекта на сетчатке глаза оператора или на электронном приемнике изображения вспомогательных блоков – телевизионной системы, фотографической системы.
Для конкретного применения эндоскопа особое значение имеет исполнение (жесткое или гибкое) его рабочей части, то есть той части эндоскопа, которая предназначена для введения в исследуемую полость и имеет форму и размеры, соответствующие тому каналу, по которому вводится эндоскоп.
Жесткие эндоскопы относятся к группе эндоскопов, геометрическая и оптическая ось которых остается неизменной в процессе эндоскопического исследования.
Гибкие эндоскопы относятся к группе эндоскопов, геометрическая и оптическая ось которых меняет свою конфигурацию в процессе эндоскопического исследования.
Наблюдательная система эндоскопа. Наблюдательная система эндоскопа состоит из трех основных частей: объектива 1, системы передачи изображения (СПИ) 2 и окуляра 3 (рисунок 2.14).
Так как исследуемый объект расположен перед объективом на конечном расстоянии, то формально данная оптическая система может быть отнесена к группе микроскопов. Однако, исходя из особенностей конструкции и работы эндоскопа, необходимо отметить, что, во-первых, наблюдательная система имеет малую величину числовой апертуры в пространстве предметов; во-вторых, объектив имеет небольшую величину фокусного расстояния (от 0,5 до 20 мм) и малое относительное отверстие (от 1:5 до 1:15); в-третьих, расстояние до исследуемой поверхности в большинстве случаев изменяется в пределах от 5 мм до ∞, что значительно превышает величину фокусного расстояния объектива. Поэтому наблюдательную систему эндоскопа целесообразнее рассматривать как телескопическую систему небольшого увеличения, снабженную оборачивающей системой.
При разработке оптической системы эндоскопа необходимо задать исходные параметры, которые можно подразделить на три группы: оптические характеристики, габаритные размеры, качество оптического изображения.
Рисунок 2.14 – Принципиальная оптическая схема наблюдательной системы
эндоскопа
К основным характеристикам эндоскопов относятся следующие:
– рабочее расстояние s (расстояние от первой поверхности оптической системы эндоскопа до объекта наблюдения);
– угловое поле 2ω в пространстве предметов;
– направление визирования γ;
– видимое увеличение Г;
– разрешающая способность R ;
– диаметр выходного зрачка D';
– длина дистальной части;
– диаметр дистальной части;
– угол поворота управляемой дистальной части;
– освещенность на дистальном конце эндоскопа.
Габаритные размеры (диаметр и длина рабочей части) и оптические параметры эндоскопа определяются строением обследуемой полости. Основной задачей при разработке эндоскопов является обеспечение заданной длины оптической системы при ограничении диаметра оптических деталей, из которых она создается. Эта задача обычно решается путем составления оптической системы эндоскопа из нескольких систем, разделяемых промежуточными изображениями, т. е. в простейшем случае введением между объективом и окуляром нескольких оборачивающих систем, имеющих линейное увеличение равное минус единице. Использование оборачивающих систем с увеличением Г= -1 позволяет сделать их симметричными, благодаря чему обеспечивается полное устранение комы, дисторсии и хроматизма увеличения.
При наблюдении через эндоскопы, особенно с диагностическими целями, увеличение на основном рабочем расстоянии чаще задается в пределах от 1,0х до 2,0x. Такое увеличение обеспечивает наиболее естественное восприятие наблюдаемых объектов. Повышение увеличения влечет снижение величины поля зрения в пространстве предметов, являющегося важным параметром эндоскопа. В смотровых и диагностических эндоскопах желательно иметь большое поле зрения при небольших увеличениях для наилучшего обзора полости. Поле зрения большинства технических эндоскопов находится в диапазоне от 45 до 70°.
Осветительная система эндоскопа.Поскольку часто при наблюдении в эндоскоп отсутствует внешнее освещение, то от осветительной системы зависит сама возможность наблюдения объекта с помощью эндоскопа. Поэтому основная задача осветительной системы эндоскопа заключается в обеспечении высокой освещенности поля зрения и создании колориметрического подобия изображения объекту.
Список литературы
1 Соснин,Ф. Г. Неразрушающий контроль: справочник в 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т.1 Визуальный и измерительный контроль. Кн.2: радиационный контроль.– М.: Машиностроение, 2003. – 560 с.
2 Неразрушающий контроль металлов и изделий: cправочник / Под. ред. Г. В. Самойловича. – М.: Машиностроение, 1970 . – 456 с.
3 ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация методов. М.: ИПК, Изд-во стандартов, 1979. – 12 с.
4 ГОСТ 23479-79. Контроль неразрушающий. Методы оптического вида. Общие требования. М.: ИПК, Изд-во стандартов, 1979. – 10 с.
5 Неразрушающий контроль. Контроль излучением: кн.4: практ. пособие / Б. Н. Епифанцев, Е. А. Гусев, В. И. Матвеев, Ф. Р. Соснин; под ред. В. В. Сухорукова. – М.: Высш. шк., 1992. – 321 с.
6 Неразрушающий контроль и диагностика: справочник / В. В. Клюев, Ф. Р. Соснин, В. Н. Филонов и др.; под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 1995. – 448 с.
7 Годжаев, Н.М. Оптика: учеб. пособие для вузов / Н. М. Годжаев.
– М.: Высшая школа, 1997. – 432 с.
8 Бегунов, Б.Н. Геометрическая оптика: учеб. пособие / Б.Н. Бегунов. Изд-во Московского университета, 1966. – 210 с.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 841; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!