optische microscopie

Optische microscopie  

Microscopie bestudeert de vergroting van het beeld van de objecten die te klein zijn om met het blote oog goed te kunnen zien. Microscopie vervult haar taak door gebruik te maken van de straling (Fig 1) die wordt uitgezonden, geabsorbeerd, doorgelaten of gereflecteerd door het te observeren monster. De aard van de straling specificeert het type microscopie, zoals optische microscopie, elektronenmicroscopie, röntgenmicroscopie of akoestische microscopie, enz. Het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum is het type straling dat wordt gebruikt door optische microscopie. Optische microscopie is het microscopisch onderzoek van materialen door de optische microscoop.

Fig 1 Elektromagnetische golven

In de oudheid werden ruwe vergrootglazen gebruikt, maar de evolutie van moderne microscopen begon in de 17e eeuw. Hoewel de eerste samengestelde microscoop in 1595 werd gebouwd door Hans en Zacharias Janssen, slaagde Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) erin lenzen zo goed te maken dat ze in hun zeer eenvoudige microscopen de verbazingwekkende vergroting van ongeveer 300x bereikten. Door de suggesties van de wetenschapper Robert Hook rond 1670 bouwde de instrumentenmaker Christopher Cock in Londen een zeer succesvolle samengestelde microscoop. Met dit instrument kon Hook de cellen observeren. De Hook's microscoop kan worden beschouwd als de vader van moderne instrumenten.

De optische microscoop, vaak de 'lichtmicroscoop' genoemd, is een soort microscoop die zichtbaar licht (Fig 1) en een systeem van lenzen gebruikt om afbeeldingen van kleine monsters te vergroten. Optische microscopen zijn de oudste en eenvoudigste van de microscopen. Het is een zeer belangrijk instrument voor de studie van microstructuur, ondanks de evolutie van geavanceerde elektronische metallografische instrumenten. Ook de geavanceerde ‘scanning-elektronenmicroscoop’ (SEM) en ‘transmissie-elektronenmicroscoop’ (TEM) zijn instrumenten van onschatbare waarde. Ze moeten echter worden gebruikt in combinatie met optische microscoop, in plaats van als vervanging.

Alle onderzoeken van de microstructuur beginnen met het gebruik van de optische microscoop, beginnend bij een lage vergroting, zoals 100×, gevolgd door steeds hogere vergrotingen om de basiskenmerken van de microstructuur efficiënt te beoordelen. De meeste microstructuren kunnen worden waargenomen met de optische microscoop en worden geïdentificeerd op basis van hun kenmerken. Identificatie van twijfelachtige of onbekende bestanddelen kan worden geholpen door observatie van hun hardheid ten opzichte van de matrix, door hun natuurlijke kleur, door hun reactie op het gepolariseerde licht en door hun reactie op de selectieve etsmiddelen. Deze waarnemingen worden vergeleken met de bekende details over de fysische metallurgie van het onderzochte materiaal. Als er nog steeds twijfel bestaat of als de structuur te fijn is om waar te nemen, moeten meer geavanceerde technieken worden geïmplementeerd.

De optische microscoop kan worden gebruikt om gepolijste of geëtste metallografische monsters te onderzoeken. Bepaalde bestanddelen worden gemakkelijker als gepolijst waargenomen, omdat ze niet worden verduisterd door etsdetails. Insluitingen, nitriden, bepaalde carbiden en intermetallische fasen kunnen gemakkelijk worden waargenomen zonder te etsen. Met uitzondering van insluitsels, kunnen de andere fasen gemakkelijker worden onderzocht als tijdens het laatste polijsten enig reliëf wordt geïntroduceerd. De monsters moeten adequaat worden voorbereid om een ​​correcte observatie en interpretatie van de microstructuur te garanderen zonder complicaties door artefacten. Monsters die reageren op het gepolariseerde licht, zoals materialen met niet-kubische kristalstructuren, worden normaal gesproken zonder etsen onderzocht. In de meeste gevallen moet echter worden geëtst om de microstructuur te observeren. Een etsmiddel voor algemeen gebruik wordt normaal gesproken eerst gebruikt om de korrelstructuur en de aanwezige fasen te onthullen, gevolgd door selectieve etsmiddelen die specifieke interessante fasen aanvallen of kleuren. Selectieve etsmiddelen worden veel gebruikt voor kwantitatieve metallografie, vooral als ze worden uitgevoerd met behulp van een geautomatiseerd apparaat. In beide gevallen moet het etsen zorgvuldig worden uitgevoerd om de microstructuur duidelijk te onthullen.

Een microscoop gebruikt een objectieflens met een zeer korte brandpuntsafstand om een ​​sterk vergroot beeld te vormen. Dit beeld wordt vervolgens bekeken met een oculair met korte brandpuntsafstand dat als een eenvoudig vergrootglas wordt gebruikt. Het basisbeeldvormingsconcept en de structuren van de optische microscopie worden getoond in figuur 2. Het optische systeem van een microscoop omvat hoofdzakelijk een objectieflens en een oculair. Het doel van een objectieflens is om een ​​object te vergroten zodat het duidelijk kan worden waargenomen door de gebruiker. Tijdens de waarneming wordt het monster in de buurt van het brandpuntsvlak van de objectieflens in de objectruimte geplaatst en wordt eerst een vergroot reëel beeld van het monster gemaakt op het tussenvlak. Het tussenvlak bevindt zich op het brandvlak van het oculair, dus het oculair werkt als een vergrootglas om het op het tussenliggende beeldvlak geprojecteerde beeld verder te vergroten. Ten slotte is er een vergroot, virtueel, omgekeerd beeld voor de waarnemer.

Fig 2 Optisch principe van microscoopbeeldvorming

Het vermogen van een optische microscoop om scheidbare beelden van verschillende punten op een object te produceren, is beperkt. Het oplossend vermogen van een lens is een kwantitatieve maat voor dit vermogen. Punten die dichterbij zijn dan de resolutiegrens kunnen niet als afzonderlijke punten worden onderscheiden. Ernst Abbe stelde in 1873 voor het eerst de waarde vast van de minimale afstand d tussen twee aangrenzende punten, waardoor ze konden worden waargenomen als gescheiden door de vergelijking 'd =l/2n sin A', waarbij 'l' de golflengte van licht is, 'A' is de helft van de openingshoek van de lens en 'n' is de brekingsindex van het medium tussen het object en de lens.

Op dit moment wordt de kleinste lineaire scheiding van twee objectpunten waarvoor ze kunnen worden opgelost door een objectief vastgesteld door het Rayleigh-criterium dat wordt gegeven door vergelijking 'd =1,22(l/2NA)' waarbij 'l' de golflengte van licht is, en 'NA' is de numerieke apertuur van het objectief. Zowel de Abbe-criteria als de Rayleigh-criteria lijken erg op elkaar, namelijk de numerieke apertuur gerelateerd aan het beeldmedium door NA =n sin A. De maximale waarde van sinA is 1 (A =90 graden), vandaar de theoretische maximale numerieke apertuur van een objectief in lucht (n =1) is NA =1. Aangezien een hoge NA een essentiële vereiste is voor hoge resolutie, is immersie-optiek ontwikkeld. Monsters kunnen op zeer korte afstand van het objectief worden afgebeeld door middel van immersiemedia met een verschillende brekingsindex, zoals water (n =1,33), glycerine (n =1,47) of olie (n =1,52).

Voor een goed ontworpen microscoop wordt de ruimtelijke resolutie voornamelijk bepaald door de objectieflens. Hoewel een oculair het beeld ook kan vergroten, kan het het oplossend vermogen van de microscopen niet verbeteren. De ruimtelijke resolutie van een optische microscoop wordt gegeven door de Rayleigh-vergelijking Ro =0. 62 l/n sin A, waarbij 'Ro' de minimaal oplosbare afstand is, 'l' de golflengte van het licht is, 'n' de brekingsindex is van het medium tussen de lens en het object, en 'A' één is - de helft van de hoekige opening van de lens, en n sinA is de numerieke opening van het objectief.

Op basis van bovenstaande vergelijking, en rekening houdend met de praktische beperkingen namelijk (i) het gebruik van zichtbaar licht met een golflengte tussen 390 nm (nano meter) en 760 nm, (ii) de maximaal bereikbare opening met de halve hoek van 70 graden tot 75 graden, en (iii) de vereiste om onderdompelingsmethoden met water of olie te gebruiken om de brekingsindex te verhogen, de resolutie van een conventionele optische microscoop mag niet hoger zijn dan 200 nm.

De optische microscoop en het vereenvoudigde optische golfpad van de microscoop worden getoond in figuur 3. De moderne optische microscoop kan een object 1500 keer vergroten met de 200 nm limiet in ruimtelijke resolutie. De optische microscopen kunnen worden onderverdeeld in veel verschillende typen met behulp van verschillende criteria. Op basis van een belichtingsmethode zijn er bijvoorbeeld de transmissie- en reflectietypes van microscopen. In een transmissiemicroscoop gaat het licht door transparante objecten. In een reflectiemicroscoop verlicht de lichtbron die bovenop de microscopische lens is geïnstalleerd de niet-transparante objecten en het gereflecteerde licht wordt opgevangen door de lens. De microscopen kunnen ook worden onderscheiden op basis van de observatiemethoden, waaronder helderveldmicroscopen, donkerveldmicroscopen, faseverschilmicroscopen, gepolariseerd lichtmicroscopen, interferentiemicroscopen en fluorescentiemicroscopen.

Elke microscoop kan de transmissie- of reflectiebenadering gebruiken. De helderveldmicroscopen zijn de meest populaire en meest gebruikte van alle microscopen. Bij gebruik van dit type microscoop variëren de transmissie- (of absorptie-)verhouding en reflectieverhouding van sommige waargenomen objecten afhankelijk van de verandering van werkomgevingen. De amplitude van deze objecten varieert met de verandering in lichtintensiteit. De kleurloze transparante objecten zijn alleen zichtbaar als de fase van het verlichte licht verandert. Omdat de helderveldmicroscopen de lichtfase niet kunnen veranderen, zijn de kleurloze transparante monsters onzichtbaar bij gebruik van dit type microscoop.

Fig 3 Optische microscoop en zijn principe

Microscoopcomponenten

Optische microscopen variëren aanzienlijk in kosten en mogelijkheden. Gereflecteerd licht wordt gebruikt voor de studie van metalen. Doorvallend-lichtmicroscopen worden gebruikt om mineralen en polymeren te bestuderen, die ook met gereflecteerd licht kunnen worden onderzocht. Optische microscopen worden ook geclassificeerd als 'rechtopstaand' of 'omgekeerd'. Deze termen verwijzen naar de oriëntatie van het polijstvlak van het monster tijdens observatie. Aangezien elke configuratie bepaalde voor- en nadelen heeft, is de selectie gebaseerd op persoonlijke voorkeur. De eenvoudigste optische microscoop is het banktype (normaal rechtopstaand). Afhankelijk van de stijfheid van de standaard kunnen aan sommige microscopen fotografische mogelijkheden worden toegevoegd.

Er zijn verschillende soorten microscopen beschikbaar die geschikt zijn voor observatie en fotomicroscopie. Dit kunnen vrij eenvoudige eenheden zijn of onderzoeksmicroscopen op ware grootte met diverse verlichtingsmodi, lichtbronnen, microhardheidshulpstukken, hete fasen, enzovoort. Basiscomponenten van de optische microscoop worden hieronder gegeven en getoond in Fig 3.

Verlichting  systeem – Er zijn verschillende lichtbronnen voor optische microscopie beschikbaar. De laagspannings-wolfraamgloeilamp die voornamelijk bij tafelmicroscopen wordt gebruikt, heeft voldoende intensiteit voor observatie, maar niet voor fotografie. Het wijzigen van de stroom naar de lamp regelt de lichtintensiteit. Koolstofboogverlichtingssystemen, die ooit gebruikelijk waren op microscopen, zijn vervangen door boog- of filamentlichtbronnen. De xenon-arc-lichtbron is wijdverbreid vanwege de hoge intensiteit en de daglichtkleurkenmerken. De lichtintensiteit kan echter alleen worden aangepast door het gebruik van filters met neutrale dichtheid. Wolfraam-halogeengloeilampen worden ook veel gebruikt vanwege hun hoge intensiteit en hoge kleurtemperatuur. De lichtintensiteit kan worden geregeld door de stroom te variëren of door filters met neutrale dichtheid te gebruiken. Andere lichtbronnen, zoals de zirkonium-, natrium-arc-, kwarts-jodium- of kwikdamplampen, komen minder vaak voor.

Condensator – Een verstelbare lens vrij van sferische aberratie en coma wordt voor de lichtbron geplaatst om het licht op het gewenste punt in het optische pad te focussen. Een velddiafragma wordt voor deze lens geplaatst om interne verblinding en reflecties binnen de microscoop te minimaliseren. Het velddiafragma wordt tot aan de rand van het gezichtsveld gestopt. Een tweede diafragma met instelbare iris, het diafragma, wordt in het lichtpad vóór de verticale straler geplaatst.

Het openen of sluiten van dit diafragma verandert de hoeveelheid licht en de hoek van de lichtkegel die de objectieflens binnenkomt. De optimale instelling voor dit diafragma verschilt per objectieflens en is een compromis tussen beeldcontrast, scherpte en scherptediepte. Naarmate de vergroting toeneemt, wordt het diafragma-diafragma gestopt. Het openen van dit diafragma verhoogt de beeldscherpte, maar vermindert het contrast. Het sluiten van het diafragma verhoogt het contrast, maar vermindert de beeldscherpte. Het diafragma mag niet worden gebruikt om de lichtintensiteit te verminderen. Het moet alleen worden aangepast voor contrast en scherpte.

Lichtfilters – Deze worden gebruikt om het licht aan te passen voor een betere observatie, voor verbeterde fotomicroscopie of om het contrast te wijzigen. Filters met neutrale dichtheid worden gebruikt om de lichtintensiteit gelijkmatig over het zichtbare spectrum te verminderen. Er zijn verschillende filters met neutrale dichtheid van ongeveer 85% tot 0,01% transmissie beschikbaar. De meerderheid van de optische microscopen heeft een selectie van ten minste twee van dergelijke filters.

Selectieve filters worden gebruikt om de kleurtemperatuur van de lichtbron in evenwicht te brengen met die van de film. Dit is vaak nodig voor een natuurgetrouwe weergave van kleurenbeelden, afhankelijk van de gebruikte lichtbron en het filmtype. Een groen of geelgroen filter wordt veel gebruikt in zwart-witfotografie om het effect van lensdefecten op de beeldkwaliteit te verminderen. De meeste objectieven, met name de goedkopere achromaten, hebben een dergelijke filtering nodig voor goede resultaten.

Polarisatiefilters worden gebruikt om vlak-gepolariseerd licht (één filter) of gekruist gepolariseerd licht (twee filters gedraaid om uitdoving te produceren) te produceren voor het onderzoek van niet-kubische (kristallografische) materialen. Materialen die optisch anisotroop zijn, zoals beryllium, zirkonium, alfa-titanium en uranium, kunnen worden onderzocht in de gekruiste gepolariseerde toestand zonder te etsen. Een gevoelige getinte plaat kan ook worden gebruikt met gekruist gepolariseerd licht om de kleuring te verbeteren.

De objectieflens – Het vormt het primaire beeld van de microstructuur en is het belangrijkste onderdeel van de optische microscoop. De objectieflens verzamelt zoveel mogelijk licht van het monster en combineert dit licht om het beeld te produceren. De NA van het objectief is een maat voor het lichtverzamelende vermogen van de lens. Het vermogen om licht te verzamelen neemt toe met de hoek 'A'. De instelling van het diafragma verandert de NA van de condensor en daarmee de NA van het systeem.

Objectieflenzen (Fig 4) worden normaal gesproken gemonteerd op een neusstuk-turret die vier tot zes objectieven kan accepteren. Sommige microscopen maken geen gebruik van neusstuk-turrets en er kan slechts één objectief tegelijk op de verticale verlichting worden geplaatst met behulp van een bajonetvatting. De verticale illuminator bevat een reflector of prisma die het licht langs het objectief op het monsteroppervlak afbuigt. Het bevat normaal gesproken ook de diafragma- en velddiafragma's en filters. De verticale illuminator verschaft normaal gesproken slechts één of twee soorten verlichting, zoals helderveld- en donkerveldverlichting of helderveld- en gepolariseerd lichtverlichting. Er zijn nu echter universele verticale stralers beschikbaar die alle soorten verlichting bieden met één verticale straler en één set objectieven.

De buislengte is de lengte van de lichaamsbuis vanaf de ooglijn van het oculair tot de objectiefdraad. Deze lengte is niet gestandaardiseerd en kan variëren. De meeste objectieven zijn ontworpen voor gebruik met een bepaalde buislengte, normaal gesproken 160 mm tot 250 mm, en kunnen normaal gesproken niet worden uitgewisseld.

Het meest gebruikte objectief is de achromat, die sferisch wordt gecorrigeerd voor één kleur (normaal geelgroen) en voor longitudinale chromatische aberratie voor twee kleuren (normaal rood en groen). Daarom zijn achromaten niet geschikt voor kleurenfotomicroscopie. Gebruik van een geel-groen filter en orthochromatische film geeft een optimaal resultaat. Achromaten bieden echter wel een relatief lange werkafstand, dat wil zeggen de afstand van de voorlens van het objectief tot het monsteroppervlak. De werkafstand neemt af naarmate de vergroting van het objectief toeneemt. De meerderheid van de producenten maakt objectieven voor lange werkafstanden voor speciale toepassingen, bijvoorbeeld in hot-stage microscopie. Achromaten zijn spanningsvrij, wat belangrijk is voor onderzoek met gepolariseerd licht. Omdat ze minder lenzen bevatten dan andere, sterker gecorrigeerde lenzen, worden interne reflectieverliezen geminimaliseerd.

Semi-apochromatische of fluoriet objectieven zorgen voor een hogere mate van correctie van sferische en chromatische aberratie. Daarom produceren ze beelden van hogere kwaliteit dan achromaten. De apochromatische objectieven hebben de hoogste mate van correctie, produceren de beste resultaten en zijn duurder. Plano-objectieven hebben uitgebreide correctie voor vlakheid van het veld, wat de belasting van de ogen vermindert, en worden vaak aangetroffen op moderne microscopen.

Bij par-focale lenssystemen is elk objectief op de turret van het neusstuk bijna in focus wanneer de turret wordt gedraaid, waardoor wordt voorkomen dat de frontlens van het objectief het monster raakt wanneer de lenzen worden verwisseld. Veel objectieven zijn ook veerbelast, wat beschadiging van de lens helpt voorkomen. Dit is meer een probleem bij objectieven met een hoge vergroting, omdat de werkafstand erg klein kan zijn.

Bepaalde objectieven zijn ontworpen voor gebruik met olie tussen het monster en de voorste lens van het objectief. Olie-immersielenzen worden echter zelden gebruikt, omdat het monster en de lens na gebruik moeten worden gereinigd. Ze bieden echter wel hogere resoluties dan kan worden bereikt wanneer er lucht tussen de lens en het monster zit. In het laatste geval is de maximaal mogelijke NA 0,95, terwijl de olie-immersielenzen een 1.3 NA tot 1.45 NA produceren, afhankelijk van de lens en de gebruikte olie. Vergrotingen van 25x tot 160× zijn beschikbaar. Het gebruik van olie verscherpt ook het beeld, wat waardevol is bij het onderzoeken van specimens met een lage reflectiviteit, zoals steenkool of keramiek.

Fig 4 Typen objectieflens en oculair

Oculair - Het wordt ook wel oculaire lens genoemd. Oculair (Fig 4) vergroot het primaire beeld dat door het objectief wordt geproduceerd. Het oog kan dan het volledige resolutievermogen van het objectief gebruiken. De microscoop produceert een virtueel beeld van het monster op het meest onderscheidende punt, normaal 250 mm van het oog. Het oculair vergroot dit beeld, waardoor bruikbare vergrotingen mogelijk zijn. Het standaardoculair heeft een gezichtsveld met een diameter van 24 mm, terwijl de groothoekoculairs voor plano-objectieven een gezichtsveld van 30 mm hebben, wat het bruikbare gebied van het primaire beeld vergroot.

Het eenvoudigste oculair is het Huygeniaanse oculair waarvan het ontwerp is uitgevonden door C. Huygens. Het bestaat uit twee plano-convexe lenzen met hun convexe oppervlakken naar de objectieflens gericht. Het is bevredigend voor gebruik met low-power en medium-power achromat-objectieven. Compenserende oculairs worden gebruikt met hoge NA-achromaten en de meer sterk gecorrigeerde objectieven. Omdat sommige lenscorrecties met deze oculairs worden uitgevoerd, moet het oculair worden afgestemd op het gebruikte type objectief.

Oogklaring is de afstand tussen de ooglens van het oculair en het oog. Voor de meeste oculairs is de oogafstand 10 mm of minder, wat onvoldoende is als de persoon die de microscoop gebruikt een bril draagt. Eenvoudige zichtproblemen, zoals bijziendheid, kunnen worden opgevangen met behulp van de fijnafstelling. Zichtproblemen zoals astigmatisme kunnen niet door de microscoop worden gecorrigeerd en er moet een bril worden gedragen. High-eye-point oculairs zijn beschikbaar om de oogafstand van ongeveer 20 mm te bieden die nodig is voor een bril.

Oculairs zijn normaal gesproken uitgerust met verschillende dradenkruizen of rasters voor het lokaliseren, meten, tellen of vergelijken van microstructuren. Het oculair vergroot het dradenkruis of het rasterbeeld en het primaire beeld. Beide beelden moeten tegelijkertijd scherp zijn. Er worden ook speciale oculairs geproduceerd om nauwkeurigere metingen mogelijk te maken dan met een graticule-schaal kan worden gedaan. Voorbeelden zijn het filar-micrometer oculair of schroef-micrometer oculair. Dergelijke apparaten kunnen worden geautomatiseerd om een ​​directe digitale uitlezing van de meting te produceren, die nauwkeurig is tot ongeveer 1 micrometer.

Normaal gesproken wordt een oculair met een vergroting van 10× gebruikt, maar om standaard vergrotingen te verkrijgen, hebben sommige systemen andere vergrotingen nodig, zoals 6,3×. Oculairs met een hoger vermogen, zoals 1×, 15×, 20× of 25×, zijn ook nuttig in bepaalde situaties. De totale vergroting wordt gevonden door de objectieve vergroting, Mo, te vermenigvuldigen met de oculairvergroting, Me (Fig 2). Als er ook een zoomsysteem of balg wordt gebruikt, moet de vergroting dienovereenkomstig worden aangepast.

Podium – Er is een mechanische tafel voorzien voor het focussen en verplaatsen van het monster, die op de tafel wordt geplaatst en vastgezet met clips. Het podium van een omgekeerde microscoop heeft vervangbare platen in het midden met gaten van verschillende grootte. Het gepolijste oppervlak wordt tegen het gat geplaatst om te bekijken. Het gehele oppervlak kan echter niet worden bekeken en bij hoge vergrotingen is het vanwege de beperkte werkafstand niet mogelijk om het objectief nabij de rand van het gat scherp te stellen. Bij een rechtopstaande microscoop wordt het monster op een glaasje op het podium geplaatst. Omdat het gepolijste oppervlak loodrecht op de lichtstraal moet staan, wordt klei tussen de monsterbodem en het objectglaasje geplaatst. Een stuk lensweefsel wordt over het gepolijste oppervlak geplaatst en het monster wordt met een egalisatiepers in de klei gedrukt. Er kunnen echter stukjes weefsel aan het monsteroppervlak hechten. Een alternatief, vooral handig bij gemonteerde monsters, is om een ​​ring te gebruiken in plaats van weefsel om het monster plat te maken. Ringvormen van aluminium of roestvrij staal van dezelfde grootte als de houders (iets afgeplat in een bankschroef) die op de houder zitten in plaats van op het monster.

De rechtopstaande microscoop maakt het mogelijk om het hele oppervlak met elk objectief te bekijken, en de operator kan zien welk deel van het monster wordt bekeken. Het is een handige functie bij het onderzoeken van specifieke gebieden op gecoate monsters, lassen en andere monsters waar specifieke gebieden moeten worden onderzocht. Voor gemonteerde monsters kan een automatisch nivellerende tafelhouder voor bevestigingen het nivelleren van monsters op klei elimineren.

Het podium moet stijf zijn om trillingen te elimineren. De beweging van het podium, gecontroleerd door x- en y-micrometers, moet soepel en nauwkeurig zijn en daarom wordt normaal gesproken een tandheugeloverbrenging gebruikt. Veel trappen hebben schalen voor het meten van de afstanden in de x- en y-richtingen. De scherpstelknoppen bevatten vaak regels voor het schatten van verticale beweging. Sommige units hebben gemotoriseerde podia en focuscontroles.

Een cirkelvormige draaibare toneelplaat kan het onderzoek van gepolariseerd licht vergemakkelijken. Dergelijke fasen, die gebruikelijk zijn voor mineralogische of petrografische studies, zijn gegradueerd om de rotatiehoek te kunnen meten. Een rechtlijnig podium wordt normaal gesproken bovenop het cirkelvormige podium geplaatst.

Sta op – Tafelmicroscopen hebben een stevige standaard nodig, vooral als er fotomicroscopie op het apparaat wordt uitgevoerd. De verschillende onderdelen van de microscoop worden bij montage aan de standaard bevestigd. In sommige gevallen wordt de tafelmicroscoop op een aparte standaard geplaatst die ook het fotografische systeem bevat.

Lensdefecten

Veel lensdefecten zijn het gevolg van de wetten van reflectie en breking. De brekingsindex van een lens varieert met de golflengte van het licht en de brandpuntsafstand van de lens varieert met de brekingsindex. Vandaar dat de brandpuntsafstand verandert voor verschillende kleuren licht. Voor elke aanwezige golflengte wordt een apart beeld gefocusseerd op verschillende afstanden van de lens. Dit is longitudinale chromatische aberratie (Fig 5). Bovendien varieert de vergroting met de brandpuntsafstand, waardoor de grootte van het beeld verandert. Dit is laterale chromatische aberratie (Fig 5). Deze verschillen moeten worden geëlimineerd om kleurenfoto's te produceren. Aangezien achromaten beperkte correcties voor deze problemen hebben, moeten ze worden gebruikt met geel-groen lichtfiltering om scherpe beelden te verkrijgen. Sferische aberratie (Fig 5) treedt op wanneer licht van een puntobject op de optische as sterker wordt gebroken in het midden of aan de rand van de lens, waardoor een reeks brandpuntsposities ontstaat waarin het puntbeeld verschijnt als een cirkel met een eindig gebied . Dit kan worden geminimaliseerd door een opening te gebruiken die het gebruik van het objectief beperkt tot het centrale gedeelte. Lensontwerp kan ook een deel van dit probleem verhelpen.

Aangezien het beeldoppervlak met optimale focus gekromd is, worden compenserende oculairs met gelijke maar tegengestelde kromming gebruikt om een ​​vlak beeld te produceren. Andere problemen, zoals coma en astigmatisme, kunnen de beeldkwaliteit aantasten, tenzij ze worden gecorrigeerd.

Fig 5 Lensdefecten

Oplossing

Om microstructurele details te zien, is het optische systeem nodig om voldoende resolutie of oplossend vermogen en voldoende beeldcontrast te produceren. Als de resolutie acceptabel is maar het contrast ontbreekt, kan er geen detail worden waargenomen. In het algemeen is het vermogen om twee punten of lijnen gescheiden door een afstand 'd' op te lossen een functie van de golflengte, 'l', van het invallende licht en de numerieke apertuur, NA, van de doelstelling. Dit volgt de vergelijking 'd =k.l / NA', waarbij k 0,5 of 0,61 is. Fig. 6 toont deze relatie voor k =0,61 en vier lichtgolflengten. Andere formules zijn ook gemeld. De vergelijking omvat geen andere factoren die de resolutie beïnvloeden, zoals de mate van correctie van de objectieven en de gezichtsscherpte van de persoon die door de microscoop kijkt. Het is gebaseerd op het werk van Abbe onder omstandigheden die niet aanwezig zijn in metallografie, zoals zelflichtende punten, perfect zwart-witcontrast, doorvallend lichtonderzoek, een ideale puntlichtbron en afwezigheid van lensdefecten.

Met behulp van de vergelijking in de vorige paragraaf is de resolutielimiet voor een objectief met een NA van 1,4 ongeveer 0,2 micrometer. Om lijnen of punten op een onderlinge afstand van 0,2 micrometer te zien, moet de vereiste vergroting worden bepaald door het oplossend vermogen van het objectief te delen door het oplossend vermogen van het menselijk oog, wat onder observatieomstandigheden moeilijk te bepalen is. Abbe hanteerde een waarde van 0,3 mm op een afstand van 250 mm wat de afstand tot het oog is voor optimaal zicht. Voor licht met een gemiddelde golflengte van 0,55 micrometer is de benodigde vergroting 1100 keer de NA van het objectief. Dit is de oorsprong van de 1.000 NA-regel voor de maximale bruikbare vergroting. Elke vergroting boven 1.000 NA wordt 'leeg' of nutteloos genoemd.

Strikte naleving van de 1.000 NA-regel moet in twijfel worden getrokken, gezien de omstandigheden waaronder deze is ontwikkeld, die zeker heel anders zijn dan die in de metallografie. Volgens de Abbe-analyse is voor een persoon die een optische microscoop gebruikt met optimaal 20/20 zicht en voor optimale contrastomstandigheden en een gemiddelde lichtgolflengte van 550 nm, de laagste vergroting die volledig gebruik maakt van de NA van het objectief 550 keer de NA . Dit stelt een bruikbare minimale vergroting vast die bij een bepaald objectief kan worden gebruikt. Er is gesuggereerd dat de bovengrens van bruikbare vergroting voor de gemiddelde persoon die een optische microscoop gebruikt 2.200 NA, is. niet 1.000 NA.

Afb. 6 Relatie tussen de resolutie en scherptediepte met numerieke apertuur

Velddiepte

Scherptediepte is de afstand langs de optische as waarover beelddetails met acceptabele helderheid worden waargenomen. De factoren die de resolutie beïnvloeden, hebben ook invloed op de scherptediepte, maar in de tegenovergestelde richting. Er moet dus een compromis worden bereikt tussen deze twee parameters, die moeilijker worden naarmate de vergroting toeneemt. Dit is een van de redenen waarom lichtetsen de voorkeur heeft voor onderzoek met een hoge vergroting.

Onderzoeksmodi

Om het resolutievermogen van het geselecteerde objectief te bereiken, moet het beeldcontrast voldoende zijn. Het beeldcontrast is afhankelijk van de monstervoorbereiding en optica. Verschillen in lichtreflectiviteit van het monsteroppervlak produceren amplitudekenmerken die na vergroting voor het oog zichtbaar zijn. Door lichtreflectie veroorzaakte faseverschillen moeten zichtbaar worden gemaakt door gebruik te maken van fasecontrast- of interferentiecontrast-opzetstukken op de microscoop.

Helderveldverlichting – Verticale belichting met helder veld, de meest gebruikte observatiemethode, is verantwoordelijk voor de overgrote meerderheid van de gemaakte microfoto's. Tijdens bedrijf gaat het licht door het objectief en valt het loodrecht op het monsteroppervlak. Oppervlaktekenmerken die normaal zijn voor het invallende licht, reflecteren het licht terug door het objectief naar de oculairs, waar de oppervlaktekenmerken helder lijken. Oppervlakken die schuin op de lichtstraal staan, reflecteren minder licht naar het objectief en lijken donkerder, afhankelijk van hun hoek.

Schuine verlichting – Bij sommige microscopen is het mogelijk om het condensorsamenstel of de spiegel te decentreren zodat het licht dat door het objectief gaat het monsteroppervlak onder een niet-loodrechte hoek raakt. Ruwheid op het monsteroppervlak werpt schaduwen, waardoor een driedimensionaal uiterlijk ontstaat. Dit maakt het mogelijk om kenmerken te bepalen die in reliëf of verzonken zijn. Er kan echter heel weinig schuinte worden geïntroduceerd, omdat deze techniek ervoor zorgt dat de verlichting niet-uniform wordt en de resolutie vermindert.

Bij donkerveldverlichting – Bij donkerveldverlichting wordt het licht dat wordt gereflecteerd door schuin georiënteerde objecten opgevangen en worden de stralen die worden gereflecteerd door objecten die normaal op de invallende bundel staan, geblokkeerd. Daarom is het contrast in wezen omgekeerd van dat van helderveldverlichting; dat wil zeggen, kenmerken die helder zijn bij helderveldverlichting lijken donker, en kenmerken die normaal donker zijn, lijken helder. Dit levert een zeer sterk beeldcontrast op, waarbij de schuine lijnen lichtgevend lijken. Onder dergelijke omstandigheden is het vaak mogelijk om functies te zien die niet zichtbaar zijn met helderveldverlichting. Deze methode is vooral handig voor het bestuderen van graanstructuren. De lage lichtintensiteit maakt fotomicroscopie echter moeilijker, een probleem dat wordt verminderd door het gebruik van automatische belichtingsregelingsapparatuur.

Gepolariseerd licht – Gepolariseerd licht, zoals gebruikt in de metallografie, is normaal gesproken beperkt tot observatie van bepaalde optisch anisotrope metalen, zoals beryllium, alfa-titanium, zirkonium en uranium, die moeilijk te etsen zijn maar goed reageren op het gepolariseerde licht wanneer ze goed gepolijst zijn. Before development of the electron micro-probe analyzer (EMPA) and energy dispersive spectroscopy (EDS), polarized light examination was an integral part of the method for identifying inclusions. Since the development of these instruments, polarized light has been used less frequently for this purpose, since identification with the EMPA or EDS techniques is more definitive. Most metallurgical microscopes now use synthetic Polaroid filters. The ‘polarizer’ is placed in the light path before the objective, and the ‘analyzer’ is placed in the light path after the objective, normally just below the eyepiece.

Light consists of transverse waves vibrating in all directions at right angles to the direction of propagation. These vibrations occur symmetrically around the direction of propagation and are unpolarized. When light passes through a polarizing filter, the vibrations occur in only one plane in the direction of propagation, and the light is termed plane polarized. This plane changes as the filter is rotated. When the analyzer filter is placed in the light path, plane polarized light passes through it if the plane of vibration of the light is parallel to the plane of vibration of the analyzer. If the plane of vibration of the analyzer is perpendicular to that of the light the light does not pass through, and extinction results. When plane-polarized light is reflected from the surface of an isotropic metal (any metal with a cubic crystallographic structure, such as iron), then passes through the analyzer in the crossed position (plane of vibration perpendicular to that of the plane-polarized light), the image is extinguished, or dark. However, in practice, since the metallurgical microscope does not produce perfectly plane-polarized light, complete extinction does not occur. This is not a serious problem, since polarized light is used only in a qualitative manner in metallography. Strain-free objectives, normally achromats, are to be used. Fluorite or apochromatic objectives are unsuitable. A strong white-light source is needed to produce accurate colour effects.

If an optically anisotropic, polished metal is placed under the light beam with the polarizer and analyzer crossed, the microstructure is revealed. The quality of sample preparation is very important, and the surface is to be perpendicular to the light path. Rotation of the sample under the beam changes light intensity and colour. Since it is difficult to set the polarizer and analyzer in the crossed position accurately when an anisotropic sample is in place unless the crossed positions are marked on the polarizer and the analyzer, it is best to find this position first using an isotropic sample.

When plane-polarized light strikes an anisotropic metal surface, reflection occurs as two plane-polarized components at right angles to each other. The directions vary with crystal structure. The strength of these two perpendicular reflections can change, and a phase difference exists between them. These differences vary with each metal and depend on the crystal orientation. No reflection is obtained when the basal plane of hexagonal or tetragonal crystals is perpendicular to the light beam. Maximum reflectance occurs when the principal symmetry axis of the crystal is perpendicular to the light beam. The resultant image is predominantly influenced by these orientation effects with phase differences are of little significance.

When the analyzer is crossed with respect to the polarizer, rotation of plane-polarized light from the anisotropic surface allows the light to pass through the analyzer, producing an image in which each grain has a different light intensity and colour, depending on its crystal orientation relative to the light beam. As the stage is rotated, each grain changes four times in intensity from light to dark during a 360 degree rotation. If the phase difference is appreciable, the light is elliptically polarized, the difference in intensity in each grain with rotation is less, and extinction is not observed. Colour images are obtained when the reflected plane-polarized light varies with wavelength. When little colour is present, a sensitive tint plate inserted between the polarizer and the objective enhance colouration.

Isotropic metals can be examined using crossed-polarized light if the surface can be rendered optically active by etching, staining, or anodizing. Procedures have been developed for several metals, however, all etched surfaces do not respond to polarized light. Normally, the etch s to produce etch pits or facets in each grain to cause double reflection at these features. Grains with different crystal orientations produce differently oriented pits or facets, yielding different degrees of elliptical polarization and hence varying light intensity. Anodizing produces a thick oxide film on the sample surface and irregularities in the film lead to double reflection.

Although the polarization response of anodized samples has been attributed to optical anisotropy of the film, experimentation has shown that the effect is due to film surface irregularities. Tint etchants produce surface films which result in interference colours which can be enhanced using polarized light. In general, best results are achieved when the analyzer is shifted slightly from the crossed position. In addition to its use in examining inclusions, anisotropic metals (antimony, beryllium, bismuth, cadmium, cobalt, magnesium, scandium, tellurium, tin, titanium, uranium, zinc, and zirconium, for example), and etched / anodized/ tint-etched cubic metals, polarized light is useful for examination of coated or deformed metals. Phase identification can also be aided in some cases. The internal structure of graphite nodules in cast iron is vividly revealed using polarized light. Martensitic structures are frequently better revealed using polarized light, which illustrate lath martensite in a high-strength iron-base alloy.

Phase contrast illumination – It permits examination of subtle phase variations in microstructures with little or no amplitude contrast from differences in the optical path at the surface (reflected light) or from differences in the optical path through the sample (transmitted light). Differences of height as small as 0.005 micrometers can be detected. Application of phase-contrast illumination in metallography has been limited. The technique needs a separate set of objectives and a special vertical illuminator.

Interference-contrast illumination – Differential interference-contrast illumination produces images with emphasized topographic detail similar to those observed using oblique illumination. Detail which is invisible or faintly visible using bright-field illumination can be revealed vividly with interference-contrast illumination. Examples of the topographic detail which can be revealed using differential interference-contrast illumination are the relative hardness of the constituents or the nature of the etching process, that is, which areas or constituents are attacked by the etchant. In some cases, other aspects of the structure can be revealed which are invisible or faintly visible in bright-field illumination.

Interference techniques – Several interference techniques are used to measure height differences on samples. Interference fringes on a perfectly flat surface appear as straight, parallel lines of equal width and spacing. Height variations cause these fringes to appear curved or jagged, depending on the unit used. The interference microscope divides the light from a single point source into two or more waves which are superimposed after traveling different paths. This produces interference. Two-beam and multiple-beam instruments are the two basic types of interferometers used. The measurements are based on the wavelength of the light used. Two-beam interferometers can measure height differences as small as ‘l’/20; multiple-beam interferometers, as small as ‘l’/200.

The Linnik-type interferometer is a two-beam reflecting microscope which uses non-polarized light. A beam-splitting prism produces two light beams from a monochromatic light source. One beam travels through the test piece objective to the test piece surface and is reflected back through the objective to the eyepiece. The other beam travels through the reference objective, strikes an optically flat reference mirror, and returns to the beam splitter, then to the eyepiece. If the path difference between the two beams is not equal or not a multiple of ‘l’/2, interference occurs and contour lines are formed which indicate locations of equal elevation. The height difference between adjacent fringes is ‘l’/2.

The Tolansky multiple-beam interferometer produces interference between many light beams by placing a reference mirror which is partially transmitting and partially reflecting very near the sample surface but slightly out of parallel. The reference mirror has a known reflectivity selected to approximate that of the surface. Light passes through the reference mirror and strikes the sample surface, is reflected by the sample surface, and interferes with the rays reflected between the reference mirror and the sample. The fringes produced by the multiple-beam interferometer are sharper than those from the two-beam interferometer, which accounts for the greater accuracy. The distance between the fringes is also ’l’/2. Elevations produce displacements of the fringes from parallel alignment. The displacement is compared to the distance between the fringes to obtain height measurements.

Light-section microscopy – The light-section microscope, also used to measure surface topography, complements interference techniques. Roughness differences from 1 micrometer to 400 micrometers can be measured, which is useful in examining machined surfaces and for measurement of surface layers or films. In operation, a slit is placed near the field iris in the illumination system and is imaged by an objective as a light line on the surface to be measured. Oblique illumination is used with a dark background. The light band is observed using a second objective which is identical to the first. The objectives are 45 degrees to the sample surface and 90 degrees to each other. A reticle in the eyepiece is used for measurements, or they are made on photographs. Vertical resolution is not as good as with interferometers, but lateral resolution is better.

Auxiliary techniques

Several special devices can be used with the optical microscope to get additional information. These techniques are described below.

Micro-hardness testing – Micro-indentation hardness data can be obtained by adding indenter attachments to the microscope. Single-purpose units also are made by many manufacturers of hardness test equipment. Loads are normally made from 1 g (gram) to 1,000 g, although some manufacturers have units for low loads (0.05 g to 200 g). Knoop or Vickers indenters can be used.

Hot-stage microscopy – Hot-stage microscope cells are available from several manufacturers. Single-purpose units can also be used. Cold-cell attachments have also been produced, but have rather limited use in metallography. The hot-stage microscope has been used to study phase transformations on heating or cooling or at constant temperature. Examination of reactions in the hot-stage microscope cell needs use of long-working-distance objectives, since the sample is held within the cell. Moreover, since the cell window is quartz, the objectives is to be quartz-corrected, especially those with magnifications of 20× or more.

Techniques other than chemical etching are to be used to view phase changes. Grain boundaries are to be thermally etched if the sample is held at a constant temperature in the vacuum. Grain-boundary grooving is easily observed using bright field illumination. Phase transformations are visible by the relief produced at the surface. Hence, shear reactions, such as those produced by martensite or bainite formation, are most easily observed. Other phase transformations are more difficult or impossible to observe. Transformations can be photographed in situ, for which motion picture cameras are normally used.

Special stages – These are available in a variety of configurations. Auto leveling stages for mounted samples are a typical example. Universal tilting stages have also been made for rapid manipulation of rough, irregular samples. Special stages have also been designed for handling small objects. A number of stages have been made for performing in situ experiments. Basic studies of solidification have been performed by in situ observation of the freezing of low-melting-point organic materials, such as camphene, which solidify like metals. Observation of the recrystallization of low-melting-point metals and alloys has been similarly observed. Special stages have been used to observe the progress of electrolytic polishing and etching. Cells have also been used for in situ examination of corrosion processes. Stages have been designed to observe a variety of processes involving static or dynamic stress, and devices have also been designed to permit physical extraction of inclusions.

Hot-cell microscopy – Metallographic preparation of radioactive materials needs remote-control preparation using specially designed hot cells. Special microscopes have been designed for use with the hot cell.

Field microscopy – When the microstructure of a component or large object which cannot be cut and moved to the laboratory is to be examined, portable laboratory equipment, made by several manufacturers, can be used to polish a section in situ. A portable microscope can be sometimes used to examine and photograph the microstructure. If this cannot be done, replicas can be made and examined using an optical microscope or an electron microscope.

Comparison microscopes – The need occasionally arises to compare two microstructures. Normally, this is carried out by placing micrographs from each sample side-by-side, but it can also be performed using special microscopes. A bridge comparator is used to combine images from two bench microscopes for simultaneous viewing.

Television monitors – Projection microscopes can be used for group viewing, but it is more common to display the microstructure on a black-and-white or colour monitor. A number of high-resolution closed-circuit systems are available.

Clean-room microscopy – The study of small particles is influenced by dust contamination during viewing. Hence, such work is to be performed in a clean box, clean bench, or clean room which is specially made to provide a dust free environment.

Image analyzers – The increased use of quantitative metallography, particularly for characterization of inclusions, has promoted development of automated image analysis systems based on television principles. Phases or constituents of interest are detected primarily by differences in light reflectivity which produce gray-level differences on the monitor. Majority of the stereological measurements can be made using these systems. Considerable automation has been achieved using automated stages and powerful minicomputers. Although these devices can be quite expensive, they have stimulated interest in stereology and its application to structure-property correlations.

Features are detected on as-polished or etched samples, depending on the nature of the feature of interest. If etching is needed, selective techniques are normally used. Field and feature-specific measurements are utilized. Field measurements measure all the detected features simultaneously, as in volume fraction measurements. In feature-specific measurements, each separate particle is measured sequentially. This procedure is normally used for shape and size measurements.

Some structures do not lend themselves to accurate measurements using such systems. For example, quantification of fracture surface detail cannot be performed using an automatic image analyzer, since the device cannot separate fracture features by gray level. Many transmission electron micrograph structures also cannot be analyzed using these devices. For such structures, semi-automatic tracing devices can be used with the operator performing detection with a light pen or stylus. These lower-cost systems can be used for nearly any stereological measurement. Because of the greater time needed for detection, they are less suitable for measurement problems which need sampling of many fields.

Photo-microscopy

Prior to the development of photographic attachments, microstructures were to be sketched. Although the need for such documentation is no more there, sketching remains useful as a teaching method. Photo-microscopy is important in metallography, since the photo-micrograph can faithfully reproduce the detail observed for others to view. With the equipment presently available, high-quality micrographs are easily produced. However, this needs careful attention to sample preparation, etching, and use of the microscope. Reproduction of false microstructures is all too common and has caused inaccurate interpretations, rejection of good materials, and faulty conclusions in failure analyses.

Historically, darkroom photographic procedures have been most prevalent. Since the introduction of instant photographic processes such as Polaroid, however, many photo-micrographs have been made using these materials, taking advantage of their speed and efficiency. However, image reproduction is sacrificed, and the process is to be repeated for each extra copy. Use of an automatic exposure device is necessary with instant process film to minimize waste. Traditional darkroom photographic methods need more effort, but yield better micrographs. Considerable automation in wet darkroom processes is possible, but frequent use of photo-microscopy is needed to justify the cost of such equipment.

Obtaining good micrographs needs adequate image contrast and resolution, uniform focus over the entire field, uniform lighting, and adequate depth of field. The light source is to be properly aligned, and the system is to be free of vibration. The yellow-green filter is to be employed to correct lens defects. The optics is to be clean, and the field and aperture diaphragms are to be adjusted correctly. The microscope is focused in a variety of ways, depending on the model. Several film formats can be used, such as plates, sheet film of different size, or 35-mm roll film. The magnification at the film plane is to be known. This is a simple procedure if the only variables are the objective and eyepiece magnification, but is more difficult when using a zoom system or bellows. A stage micrometer can be utilized to determine the true magnification.

A range of black-and-white and colour films is available for darkroom or instant techniques. The manufacturers of these films document film characteristics. Black-and-white films are normally used due to their lower cost. They show better contrast control, are easier to process, and are normally quicker to use than colour films. Colour film has some important uses for which its cost is justified. In traditional black-and-white photography, a negative image is produced first and is used to produce a positive image of the microstructure on suitable paper. The micrograph lasts for many years without any apparent change. Selection of the negative film is based on the format available, colour sensitivity, contrast, resolving power, speed, graininess, and exposure and development latitudes.

Some black-and-white films are not sensitive to the entire visible spectrum. Orthochromatic films are sensitive to all colours except orange and red. Panchromatic films are sensitive to all colours, although they emphasize blue and de-emphasize yellow. A yellow filter can be used to reduce this colour bias.

Orthochromatic films can be developed under dark red light, but panchromatic films need total darkness. Orthochromatic films are very good for photo-microscopy, particularly when a yellow-green filter is inserted to correct lens defects.

Film speed is a critical variable only when illumination is low, as in polarized light, interference-contrast, or dark-field illumination. Orthochromatic film has a medium contrast which is adequate for most structures. Contrast can be enhanced with a high-contrast film. The resolving power of a film defines its ability to record fine details in the image. Hence, a high-resolving-power film is desirable. Graininess depends on the size of the silver grains in the emulsion, the developer used, and the development time and temperature. High-speed films are grainier than low-speed films, making them less suitable for enlarging. Contact printing is preferred. It needs a large film size, but saves enlargement time. It produces better images and eliminates re-determining the magnification of the print. A fine-grain film provides the best resolution.

When a negative is exposed, there is an allowable range of exposures which produces a useful, printable negative. Wide exposure latitude is quite valuable. Each film includes information on its characteristic relationship between exposure time and density. The exposure selected is to be on the linear portion of the density-time curve. A good, dense negative allows suppression of some of the fine image defects during printing. An underexposed negative greatly restricts printing and normally results in a poor print. Development of negatives is rather simple and involves use of a developing solution, a stop bath, a fixing solution, as well as washing and drying.

The correct exposure is most easily determined using a built-in exposure meter. If this is not available, a test exposure series can be made. This is accomplished by pulling out the film slide completely and exposing the entire film for a time judged to be considerably shorter than that needed. The slide is then inserted so that it covers around 10 mm to 20 mm of the film, and the exposure is repeated. This is repeated incrementally until the slide is fully inserted, covering the film. After development, the correct time can be assessed based on the density of the negative in each band.

Alternatively, the step exposure can be performed using an instant film of the same speed, saving the darkroom time. Majority of the black-and-white films are contact printed. The negative is placed emulsion side up on the contact printer, and a suitable paper is placed emulsion side down over the negative. The printer is closed, and light is passed through the film onto the paper. The print is developed, stopped, fixed, washed, and dried. Print contrast is controlled by the type of paper and development time. Print contrast types vary from extra-soft (flat) to extra-contrast (grades 1 to 5). Number 3 paper is used most frequently. Number 4 paper is used to increase contrast, and No. 2 paper to reduce contrast.

Instant process films eliminate the darkroom work, thus hastening the process. Polaroid prints use the diffusion-transfer reversal process. Development begins when the film is removed from the camera after the exposure. The action of pulling the film out of the camera crushes a pod containing the viscous, caustic developer and spreads it over the film. Black-and-white films develop rapidly while the colour prints need slightly more time. Some of the Polaroid films have very high speeds, an advantage in dim lighting. Some prints are to be coated with a neutralizing stabilizer / protective varnish to prevent staining and fading. Also available are instant films which produce a negative and a positive print. This negative is to be cleared, but a darkroom is not required. Polaroid films used in microscopy are all panchromatic. They are available as roll film, film packs, or sheets. Exposure times are to be more accurately controlled to get good prints than with traditional wet-process films.

Macro-photography

Examination and photography are frequently needed for such objects as macro-etched disks and broken parts. Examination can be performed visually or with the aid of a simple hand lens or stereo-microscope. Macro-photography can be performed using majority of the cameras, perhaps aided by the use of close-up lens attachments, a bellows, or a macro-lens. Many stereomicroscopes can be equipped with cameras for photography while some takes stereo-pairs. A few manufacturers offer camera stands for macro-photography. Some metallographs also have low-magnification objectives which can perform certain types of macro-photography.

Macro-photography utilizes magnifications from less than 1× to 50×. Most laboratories, especially those engaged in failure analyses, have various cameras, light sources, and stereo-viewers to cover the wide range of objects photographed. Correct lighting is necessary to emphasize details and provide even illumination without glare or reflection. Adjustment of lighting needs some experimentation and experience. Available lighting includes flood lamps, rings, coaxial, or fiber optics. A light box is useful for eliminating shadows, but considerable creativity is needed to achieve good results.

Depth of field and resolution are important variables. Many of the objects to be photographed are three-dimensional, which needs a certain depth of field and proper lighting to reveal shape and texture. Depth of field varies with the aperture diaphragm lens setting, the magnification, and the focal length of the lens. Stopping down the aperture improves depth of field, but decreases image brightness and clarity. Depth of field also increases as magnification decreases and focal length increases. For magnifications below 5×, focal lengths of 100 mm or more are preferred. Shorter-focal-length lenses are used for higher magnifications.