Optische microscopen: principes en toepassingen

Microscopie bestudeert de vergroting van het beeld van objecten die te klein zijn om goed te worden gezien door het ongewapende oog. Microscopie vervult zijn taak door gebruik te maken van de straling (Fig. 1) die wordt uitgezonden, geabsorbeerd, getransporteerd of gereflecteerd door het monster dat waargenomen moet worden. De aard van de straling specificeert het type microscopie, zoals optische microscopie, elektronenmicroscopie, röntgenmicroscopie of akoestische microscopie. Het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum is het type straling dat door optische microscopie wordt gebruikt. Optische microscopie is de microscopische examen van materialen door de optische microscoop.

Fig. 1 Elektromagnetische golven

Rauwe vergrootglazen werden in de oudheid gebruikt, maar de evolutie van moderne microscopiën begon in de 17e eeuw. Hoewel de eerste samengestelde microscoop werd gebouwd door Hans en Zacharias Janssen in 1595, slaagde Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) erin lenzen zo goed te maken dat een verbazingwekkende vergroting van ongeveer 300x in hun zeer eenvoudige microscopiën werd bereikt. Vanwege 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 cellen observeren. De microscoop van Hook kan worden beschouwd als de vader van moderne instrumenten.

De optische microscoop, vaak aangeduid als 'lichtmicroscoop', is een type microscoop dat zichtbaar licht (Fig. 1) en een systeem van lenzen gebruikt om beelden van kleine monsters te vergroten. Optische microscopiën zijn de oudste en eenvoudigste van de microscopiën. Het is een zeer belangrijk instrument voor de bestude van microstructuur, ondanks de evolutie van gesofisticeerde elektronenmetallografische instrumenten. De gesofisticeerde 'scanning elektronenmicroscoop' (SEM) en 'transmissie elektronenmicroscoop' (TEM) zijn onschatbare instrumenten ook. Echter, ze moeten in combinatie met de optische microscoop worden gebruikt, in plaats van als vervanging.

Alle examens van microstructuur beginnen met gebruik van de optische microscoop, beginnend bij lage vergroting, zoals 100x, gevolgd door progressief hogere vergrotingen om de basiskenmerken van de microstructuur efficiënt te beoordelen. De meerderheid van de microstructuren kan met de optische microscoop worden waargenomen en 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 gepolariseerd licht, en door hun reactie op selectieve etsmiddelen. Deze observaties worden vergeleken met de bekende details over de fysieke metallurgie van het onderzochte materiaal. Als twijfel blijft of als de structuur te fijn is om te observeren, moeten meer gesofisticeerde technieken worden geïmplementeerd.

Monsterbereiding en etching

De optische microscoop kan worden gebruikt om gepolijste of geëtste metallografische monsters te onderzoeken. Bepaalde bestanddelen zijn gemakkelijker te observeren als gepolijst, omdat ze niet worden verduisterd door etchdetails. Insluitingen, nitriden, bepaalde karbiden en intermetallische fasen kunnen gemakkelijk zonder etsen worden waargenomen. Behalve voor insluitingen, kunnen de andere fasen gemakkelijker worden onderzocht als er enige relief wordt geïntroduceerd tijdens de finale polishing. De monsters moeten adequaat worden voorbereid om correcte observatie en interpretatie van de microstructuur te garanderen zonder complicaties van artefacten. Monsters die reageren op gepolariseerd licht, zoals materialen met niet-kubieke kristalstructuren, worden normaal zonder etsen onderzocht. Echter, in de meerderheid van de gevallen moet etsen worden uitgevoerd om de microstructuur te observeren. Een algemeen etchmiddel wordt normaal eerst gebruikt om de korrelstructuur en de aanwezige fasen te onthullen, gevolgd door selectieve etsmiddelen die specifieke fasen van belang aanvallen of kleuren. Selectieve etsmiddelen worden wijd gebruikt voor kwantitatieve metallografie, met name als uitgevoerd met een geautomatiseerd apparaat. In beide gevallen moet etsen zorgvuldig worden uitgevoerd om de microstructuur met helderheid te onthullen.

Optische principes van de microscoop

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 een korte brandpuntsafstand dat als een eenvoudige vergrootglas fungeert. Het basisonderbeeldconcept en de structuren van de optische microscopie worden weergegeven in Fig. 2. Het optische systeem van een microscoop omvat voornamelijk 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 observatie wordt het monster geplaatst nabij het brandpuntvlak van de objectieflens in de objectruimte, en een vergroot echt beeld van het monster wordt eerst gecreëerd op het intermediaire vlak. Het intermediaire vlak bevindt zich op het brandpuntvlak van het oculair, dus het oculair werkt als een vergrootglas om het beeld dat op het intermediaire beeldvlak wordt geprojecteerd verder te vergroten. Ten slotte wordt een vergroot, virtueel, omgekeerd beeld geboden voor de waarnemer.

Fig. 2 Optisch principe van microscoop imaging

Resolverend vermogen en resolutie

Het vermogen van een optische microscoop om scheidbare beelden van verschillende punten op een object te produceren, is beperkt. Het resolverend vermogen van een lens is een kwantitatieve maat voor dit vermogen. Punten die dichter bij elkaar liggen dan de resolutielimiet kunnen niet als afzonderlijke punten worden onderscheiden. Ernst Abbe stelde in 1873 de waarde van de minimale afstand d tussen twee aangrenzende punten vast die hen laten waarnemen als gescheiden door de vergelijking 'd = λ/2n sin A', waar 'λ' de golflengte van het licht is, 'A' de helft is van de hoekelijke opening van de lens, en 'n' de brekingsindex van het medium tussen het object en de lens.

Op dit moment is de kleinste lineaire scheiding van twee objectpunten waarvoor ze kunnen worden opgelost door een objectief, vastgelegd door het Rayleigh-criterium gegeven door de vergelijking 'd = 1,22(λ/2NA)' waar 'λ' de golflengte van het licht is, en 'NA' de numerieke opening van het objectief. Zowel de Abbe-criteria als de Rayleigh-criteria zijn zeer vergelijkbaar, de numerieke opening gerelateerd aan het imagemedium door NA = n sin A. De maximale waarde van sinA is 1 (A = 90 graden), dus de theoretische maximaal numerieke opening van een objectief in lucht (n = 1) is NA = 1. Aangezien een hoge NA een essentiële vereiste is voor hoge resolutie, is immersie-optica ontwikkeld. Monsters kunnen worden gebeeld op een zeer korte afstand van het objectief door immersiemedia met een andere 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 het objectief. Hoewel een oculair het beeld ook kan vergroten, kan het het resolverend vermogen van de microscopiën niet verbeteren. De ruimtelijke resolutie van een optische microscoop wordt gegeven door de Rayleigh-vergelijking Ro = 0,62 λ/n sin A, waar 'Ro' de minimale scheidbare afstand is, 'λ' de golflengte van het licht, 'n' de brekingsindex van het medium tussen de lens en het object, en 'A' de helft van de hoekelijke opening van de lens, en n sinA de numerieke opening van het objectief.

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

De optische microscoop en het vereenvoudigde optische golfpad van de microscoop worden weergegeven in Fig. 3. De moderne optische microscoop kan een object 1.500 keer vergroten met de 200 nm limiet in ruimtelijke resolutie. Optische microscopiën kunnen in veel verschillende typen worden ingedeeld met behulp van diverse criteria. Bijvoorbeeld, gebaseerd op een verlichtingsmethode, zijn er transmissie- en reflectietypen microscopiën. In een transmissiemicroscoop gaat het licht door transparante objecten. In een reflectiemicroscoop verlicht de lichtbron geïnstalleerd boven de microscopische lens de niet-transparante objecten, en het gereflecteerde licht wordt door de lens verzameld. De microscopiën kunnen ook worden gedifferentieerd gebaseerd de observatiemethoden, waaronder helderveld microscopiën, donkerveld microscopiën, faseverschil microscopiën, gepolariseerd licht microscopiën, interferentie microscopiën, en fluorescente microscopiën.

Elke microscoop kan ofwel de transmissie- of reflectiebenadering gebruiken. Helderveld microscopiën zijn de meest populaire en wijd gebruikte van alle microscopiën. Met dit type microscoop varieert de transmissie (of absorptie) verhouding en reflectieverhouding van sommige waargenomen objecten volgens de verandering van werkomgevingen. De amplitude van deze objecten varieert met de verandering in verlichtingsintensiteit. Kleurloze transparante objecten zijn alleen zichtbaar wanneer de fase van het verlichte licht verandert. Omdat helderveld microscopiën de lichtfase niet kunnen veranderen, zijn kleurloze transparante monsters onzichtbaar bij het gebruik van dit type microscoop.

Fig. 3 Optische microscoop en haar principe

Microscoopcomponenten

Optische microscopiën variëren aanzienlijk in kosten en mogelijkheden. Gereflecteerd licht wordt gebruikt voor de studie van metalen. Doorgelaten licht microscopiën worden gebruikt om mineralen en polymeren te bestuderen, die ook met gereflecteerd licht kunnen worden onderzocht. Optische microscopiën worden ook geclassificeerd als 'oprechte' of 'geïnverteerde'. Deze termen verwijzen naar de oriëntatie van het polijstvlak van het monster tijdens de observatie. Aangezien elke configuratie bepaalde voor- en nadelen heeft, is de selectie gebaseerd op persoonlijke voorkeur. De eenvoudigste optische microscoop is het banktype (normaal oprecht). Fotografische mogelijkheden kunnen aan sommige microscopiën worden toegevoegd, afhankelijk van de rigiditeit van de stand.

Verschillende typen microscopiën geschikt voor observatie en fotomicrografie zijn beschikbaar. Deze kunnen vrij eenvoudige eenheden zijn of volwaardige onderzoeksmicroscopiën met gevarieerde verlichtingsmodi, lichtbronnen, microhardheidsbijlagen, warme trapjes, enz. Basisonderdelen van de optische microscoop worden hieronder gegeven en in Fig. 3 weergegeven.

Verlichtingssysteem

Een verscheidenheid aan lichtbronnen voor optische microscopie is beschikbaar. De lage-spanning wolfraamdraadlamp die primair met bankmicroscopiën wordt gebruikt, heeft adequate intensiteit voor observatie, maar niet voor fotografie. Het aanpassen van de stroom naar de lamp regelt de lichtintensiteit. Koolstofboog-verlichtingssystemen, ooit gangbaar op microscopiën, zijn vervangen door boog- of draadlichtbronnen. De xenoon-boog lichtbron is prevaillent vanwege zijn hoge intensiteit en daglichtkleurkenmerken. Lichtintensiteit kan echter alleen worden aangepast door gebruik van neutrale-dichtheidsfilters. Wolfraam-halogeen draadlampen worden ook wijd gebruikt voor hun hoge intensiteit en hoge kleurtemperatuur. Lichtintensiteit kan worden geregeld door de stroom te variëren of door gebruik van neutrale-dichtheidsfilters. Andere lichtbronnen, zoals zirconium-boog, natrium-boog, kwarts-jodium, of kwikdamp-lampen, zijn minder gebruikelijk.

Condensor

Een instelbare lens vrij van sferische aberratie en coma wordt voor de lichtbron geplaatst om het licht te focussen op het gewenste punt in het optische pad. Een velddiaphragma wordt voor deze lens geplaatst om interne glare en reflecties binnen de microscoop te minimaliseren. Het velddiaphragma wordt gestopt tot de rand van het zichtveld. Een tweede instelbare iris-diaphragma, het apertuurdiaphragma, wordt in het lichtpad voor de verticale verlichter geplaatst.

Het openen of sluiten van dit diaphragma verandert de hoeveelheid licht en de hoek van de kegel van licht die de objectieflens binnenkomt. De optimale instelling voor deze opening varieert met elk objectief en is een compromis tussen beeldcontrast, scherpte en diepgang. Als de vergroting toeneemt, wordt het apertuurdiaphragma gestopt. Het openen van deze opening verhoogt de beeldscherpte, maar verlaagt het contrast. Het sluiten van de opening verhoogt het contrast, maar belemmert de beeldscherpte. Het apertuurdiaphragma mag niet worden gebruikt voor het verminderen van lichtintensiteit. Het moet alleen worden aangepast voor contrast en scherpte.

Lichtfilters

Deze worden gebruikt om het licht te wijzigen voor gemakkelijke observatie, voor verbeterde fotomicrografie, of om contrast te veranderen. Neutrale-dichtheidsfilters worden gebruikt om de lichtintensiteit uniform over het zichtbare spectrum te verminderen. Verschillende neutrale-dichtheidsfilters van ongeveer 85% tot 0,01% transmissie zijn beschikbaar. De meerderheid van de optische microscopiën heeft een selectie van ten minste twee dergelijke filters.

Selectieve filters worden gebruikt om de kleurtemperatuur van de lichtbron aan die van de film aan te passen. Dit is vaak noodzakelijk voor getrouwe reproductie van kleurenbeelden, afhankelijk van de gebruikte lichtbron en filmtype. Een groen of geel-groen filter wordt wijd gebruikt in zwart-wit fotografie om het effect van lensdefecten op beeldkwaliteit te verminderen. De meerderheid van de objectieven, met name de goedkopere achromaten, hebben dergelijke filtering nodig voor goede resultaten.

Polariserende filters worden gebruikt om vlak-gepolariseerd licht (één filter) of gekruist-gepolariseerd licht (twee filters gedraaid om extinctie te produceren) te produceren voor examen van niet-kubieke (kristallografische) materialen. Materialen die optisch anisotroop zijn, zoals beryllium, zirconium, alfa-titaan en uranium, kunnen in de gekruist-gepolariseerde toestand worden onderzocht zonder etsen. Een gevoelige-tintplaat kan ook worden gebruikt met gekruist-gepolariseerd licht om kleuring te verbeteren.

Het objectieflens

Het vormt het primaire beeld van de microstructuur en is het belangrijkste onderdeel van de optische microscoop. Het 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 lichtverzamelvermogen van de lens. Lichtverzamelvermogen neemt toe met de hoek 'A'. De instelling van het apertuurdiaphragma verandert de NA van de condensor en dus de NA van het systeem.

Objectieflensen (Fig. 4) worden normaal gemonteerd op een neusstuk-turret die vier tot zes objectieven kan accepteren. Sommige microscopiën gebruiken geen neusstuk-turrets, en slechts één objectief tegelijk kan op de verticale verlichter worden geplaatst met een bajonetbevestiging. De verticale verlichter bevat een reflector of prism die het licht naar beneden de objectieflens op het monsteroppervlak buigt. Het houdt normaal het apertuur- en velddiaphragma en filters ook. De verticale verlichter biedt normaal slechts één of twee typen verlichting, zoals helderveld- en donkerveldverlichting of helderveld- en gepolariseerd licht verlichting. Echter, universele verticale verlichters zijn nu beschikbaar die alle typen verlichting bieden met één verticale verlichter en één set objectieven.

De buislengte is de lengte van de buis van de ooglijn van het oculair tot het objectiefgewinde. Deze lengte is niet gestandaardiseerd en kan variëren. De meerderheid van de objectieven is ontworpen voor gebruik met een bepaalde buislengte, normaal 160 mm tot 250 mm, en kan normaal niet worden uitgewisseld.

Het meest gebruikte objectief is de achromaat, die sferisch gecorrigeerd is voor één kleur (normaal geel-groen) en voor longitudinale chromatische aberratie voor twee kleuren (normaal rood en groen). Daarom zijn achromaten niet geschikt voor kleurenfotomicrografie. Gebruik van een geel-groen filter en orthochromatische film levert optimale resultaten. Echter, achromaten bieden een relatief lange werkafstand, dat wil zeggen, de afstand van de voorste lens van het objectief tot het monsteroppervlak. Werkafstand neemt af naarmate de vergroting van het objectief toeneemt. De meerderheid van de fabrikanten maakt lange-werkafstand objectieven voor speciale toepassingen, bijvoorbeeld in warm-trap microscopie. Achromaten zijn spanning-vrij, wat belangrijk is voor gepolariseerd licht onderzoek. Omdat ze minder lenzen bevatten dan andere meer gecorrigeerde lenzen, worden interne reflectieverliezen geminimaliseerd.

Semi-apochromatische of fluoriet-objectieven bieden een hogere graad van correctie van sferische en chromatische aberratie. Daarom produceren ze hogere kwaliteit beelden dan achromaten. Apochromatische objectieven hebben de hoogste graad van correctie, produceren de beste resultaten, en zijn duurder. Plano-objectieven hebben uitgebreide correctie voor vlakheid van veld, wat oogspanning vermindert, en worden vaak op moderne microscopiën gevonden.

Met par-focale lenssystemen is elk objectief op de neusstuk-turret bijna in focus wanneer de turret wordt gedraaid, wat voorkomt dat de voorste lens van het objectief het monster raakt wanneer lenzen worden gewisseld. Veel objectieven zijn ook veer-gebalanceerd, wat helpt schade aan de lens te voorkomen. Dit is meer een probleem met hoge-vergroting objectieven, 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. Echter, olie-imersielensen worden zelden gebruikt, aangezien het monster en de lens na gebruik gereinigd moeten worden. Echter, ze bieden hogere resoluties dan kunnen worden bereikt wanneer lucht tussen de lens en het monster is. In het laatste geval is de maximaal mogelijke NA 0,95, terwijl olie-imersielensen een NA van 1,3 tot 1,45 produceren, afhankelijk van de lens en de gebruikte olie. Vergrotingen van 25x tot 160x zijn beschikbaar. Gebruik van olie verscherpt ook het beeld, wat waardevol is bij het onderzoeken van lage-reflectiviteit specimen, zoals steenkool of keramiek.

Fig. 4 Typen objectieflens en oculair

Oculair

Het wordt ook oculaire lens genoemd. Oculair (Fig. 4) vergroot het primaire beeld geproduceerd door het objectief. Het oog kan dan het volledige resolutievermogen van het objectief benutten. De microscoop produceert een virtueel beeld van het monster op het punt van meest distincte visie, normaal 250 mm van het oog. Het oculair vergroot dit beeld, wat het bereiken van nuttige vergrotingen toestaat. Het standaard oculair heeft een 24 mm diameter zichtveld terwijl de wijd-veldoculairen voor plano-objectieven een 30 mm diameter zichtveld hebben, wat het bruikbare gebied van het primaire beeld vergroot.

Het eenvoudigste oculair is het Huygens-oculair wiens ontwerp uitgevonden werd door C. Huygens. Het bestaat uit twee plankonvexe lenzen met hun convexe oppervlakken gericht naar het objectieflens. Het is bevredigend voor gebruik met lage-vermogen en medium-vermogen achromaat-objectieven. Compenserende oculairen worden gebruikt met hoge NA achromaten en de meer gecorrigeerde objectieven. Omdat sommige lenscorrecties worden uitgevoerd met behulp van deze oculairen, moet het oculair overeenkomen met het type objectief dat gebruikt wordt.

Oogvrijheid is de afstand tussen de ooglens van het oculair en het oog. Voor de meeste oculairen is de oogvrijheid 10 mm of minder, wat onvoldoende is als de persoon die de microscoop gebruikt een bril draagt. Eenvoudige gezichtsproblemen, zoals kortzichtigheid, kunnen worden geaccommodeerd door gebruik van de fijnfocuseinstelling. Gezichtsproblemen zoals astigmatisme kunnen niet door de microscoop gecorrigeerd worden, en een bril moet worden gedragen. Hoog-oogpunt-oculairen zijn beschikbaar om de oogvrijheid van ongeveer 20 mm te bieden die nodig is voor brillen.

Oculairen zijn normaal uitgerust met diverse reticules of micrometers voor het lokaliseren, meten, tellen of vergelijken van microstructuren. Het oculair vergroot het reticulum of micrometerbeeld en het primaire beeld. Beide beelden moeten gelijktijdig in focus zijn. Speciale oculairen worden ook geproduceer om nauwkeurigere metingen toe te staan dan met een micrometerschaal. Voorbeelden zijn het draad-micrometer-oculair of schroef-micrometer-oculair. Dergelijke apparaten kunnen geautomatiseerd worden om een direct digitale aflezing van de meting te produceren, wat nauwkeurig is tot ongeveer 1 micrometer.

Een 10x vergroting oculair wordt normaal gebruikt, echter om standaardvergrotingen te verkrijgen, hebben sommige systemen andere vergrotingen nodig, zoals 6,3x. Hogere-vermogen oculairen, zoals 1x, 15x, 20x, of 25x, zijn ook nuttig in bepaalde situaties. De totale vergroting wordt gevonden door de objectiefvergroting, Mo, te vermenigvuldigen met de oculairvergroting, Me (Fig. 2). Als een zoom-systeem of bellows ook wordt gebruikt, moet de vergroting dienovereenkomstig worden aangepast.

Trapje

Een mechanisch trapje wordt verschaft voor focussen en verplaatsen van het monster, dat op het trapje wordt geplaatst en bevestigd met klemmen. Het trapje van een geïnverteerde microscoop heeft vervangbare centrum-trapplaten met verschillende gatgrootte. Het gepolijste oppervlak wordt tegen het gat geplaatst voor observatie. Echter, het gehele oppervlak kan niet worden bekeken, en bij hoge vergrotingen is het niet mogelijk om het objectief nabij de rand van het gat te focussen vanwege de beperkte werkafstand. In het geval van een oprechte microscoop, wordt het monster op een objectglas op het trapje geplaatst. Aangezien het gepolijste oppervlak loodrecht moet staan op de lichtbundel, wordt klei geplaatst tussen de bodem van het monster en het objectglas. Een stuk lenstissue wordt over het gepolijste oppervlak geplaatst, en het monster wordt in de klei geperst met een nivellagepers. Echter, stukjes tissue kunnen aan het monsteroppervlak kleven. Een alternatief, met name nuttig gemonteerde monsters, is om een ring te gebruiken in plaats van tissue om het monster te vervlakken. Aluminium of roestvrij staal ringvormen van dezelfde grootte als de mounts (licht vervlakkt in een schroefbank) zitten op de mount in plaats van het monster.

De oprechte microscoop stelt het bekijken van het hele oppervlak met elk objectief toe, en de operator kan zien welke sectie van het monster wordt bekeken. Het is een nuttige 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 auto-niveleer trapje-houder voor mounts het nivelleren van monsters op klei elimineren.

Het trapje moet rigide zijn om trillingen te elimineren. Trapbeweging, gecontroleerd door x- en y-micrometers, moet glad en precies zijn en daarom wordt normaal tandwiel- en pignon-aandrijving gebruikt. Veel trapjes hebben schalen voor het meten van afstanden in de x- en y-richtingen. De focuseinstellingen bevatten vaak afstempeling voor het schatten van verticale beweging. Sommige eenheden hebben gemotoriseerde trapjes en focuseinstellingen.

Een cirkelvormig roteerbaar trapplaatje kan gepolariseerd licht onderzoek vergemakkelijken. Dergelijke trapjes, gebruikelijk voor mineralogische of petrografische studies, zijn afgestempeld om de draaihoek te meten. Een rechthoekig trapje wordt normaal bovenop het cirkelvormige trapje geplaatst.

Stand

Bankmicroscopiën hebben een rigide stand nodig, met name als fotomicrografie op de eenheid wordt uitgevoerd. De diverse onderdelen van de microscoop worden aan de stand bevestigd bij assemblage. In sommige gevallen wordt de bankmicroscoop op een aparte stand geplaatst die ook het fotografische systeem vasthoudt.

Lensdefecten

Veel lensdefecten voortvloeien uit 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. Daarom verandert de brandpuntsafstand voor verschillende kleuren licht. Een apart beeld voor elke aanwezige golflengte wordt op verschillende afstanden van de lens gefocust. Dit is longitudinale chromatische aberratie (Fig. 5). Bovendien varieert vergroting met brandpuntsafstand, wat de grootte van het beeld wijzigt. 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 met geel-groen lichtfiltering worden gebruikt 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 centrum of aan de periferie van de lens, producerend een reeks brandpuntposities waarin het puntbeeld als een cirkel van eindige oppervlakte verschijnt. Dit kan worden geminimaliseerd door gebruik van een apertuur die het gebruik van het objectief beperkt tot het centrale deel. Lensontwerp kan ook een deel van dit probleem corrigeren.

Aangezien het beeldoppervlak van optimale focus gebogen is, worden compenserende oculairen met gelijke maar tegengestelde kromming gebruikt om een vlak beeld te produceren. Andere problemen, zoals coma en astigmatisme, kunnen de beeldkwaliteit belemmeren tenzij gecorrigeerd.

Fig. 5 Lensdefecten

Resolutie

Om microstructuurafdelingen te zien, is het optische systeem nodig om adequate resolutie, of resolverend vermogen, en adequate beeldcontrast te produceren. Als resolutie acceptabel is maar contrast ontbreekt, kan detail niet 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, 'λ', van het incidente licht en de numerieke opening, NA, van het objectief. Dit volgt de vergelijking 'd = k·λ / NA', waar k 0,5 of 0,61 is. Fig. 6 toont deze relatie voor k = 0,61 en vier lichtgolflengtes. Andere formules zijn ook gerapporteerd. De vergelijking omvat geen andere factoren die resolutie beïnvloeden, zoals de graad van correctie van de objectieven en de visuele scherpte van de persoon die door de microscoop kijkt. Het is gebaseerd op het werk van Abbe onder condities die niet aanwezig zijn in metallografie, zoals zelf-luminerende punten, perfect zwart-wit contrast, doorgelaten-licht onderzoek, een ideaal punt-lichtbron, en afwezigheid van lensdefecten.

Met de vergelijking in de vorige alinea, is de resolutielimiet voor een objectief met een NA van 1,4 ongeveer 0,2 micrometer. Om lijnen of punten gescheiden op 0,2 micrometer te zien, moet de benodigde vergroting worden bepaald door het resolverend vermogen van het objectief te delen door het resolverend vermogen van het menselijke oog, wat moeilijk te bepalen is onder observatiecondities. Abbe gebruikte een waarde van 0,3 mm op een afstand van 250 mm wat de afstand is van het oog voor optimale visie. Voor licht met een gemiddelde golflengte van 0,55 micrometer, is de benodigde vergroting 1.100 keer de NA van het objectief. Dit is de oorsprong van de 1.000 NA-regel voor de maximale nuttige vergroting. Elke vergroting boven 1.000 NA wordt 'lege', of nutteloze, vergroting genoemd.

Strikte nakoming van de 1.000 NA-regel moet worden bevraagd, rekening houdend met de condities waaronder het is ontwikkeld, die zeker ver verschillen van die in metallografie. Volgens de Abbe-analyse, voor een persoon die een optische microscoop gebruikt met optimale 20/20 visie en voor optimale contrastcondities en een gemiddelde lichtgolflengte van 550 nm, is de laagste vergroting die volledig voordeel trekt van de NA van het objectief 550 keer de NA. Dit stelt een nuttige minimumvergroting vast om met een gegeven objectief te gebruiken. Er is voorgesteld dat de bovengrens van nuttige vergroting voor de gemiddelde persoon die een optische microscoop gebruikt 2.200 NA is, niet 1.000 NA.

Fig. 6 Relatie tussen de resolutie en diepgang met numerieke opening

Diepgang

Diepgang is de afstand langs de optische as waarover beeldetails met acceptabele helderheid worden waargenomen. Die factoren die resolutie beïnvloeden, beïnvloeden ook diepgang, maar in de tegengestelde richting. Daarom moet een compromis worden bereikt tussen deze twee parameters, wat moeilijker wordt naarmate de vergroting toeneemt. Dit is een reden waarom licht etsen wordt geprefereerd voor hoge-vergroting onderzoek.

Onderzoekmodi

Om de resolutiecapaciteit van het geselecteerde objectief te bereiken, moet het beeldcontrast adequaat zijn. Beeldcontrast hangt af van monsterbereiding en optica. Verschillen in lichtreflectiviteit van het monsteroppervlak produceren amplitude-karakteristieken die zichtbaar zijn voor het oog na vergroting. Faseverschillen gecreëerd door lichtreflectie moeten zichtbaar worden gemaakt door gebruik van fase-contrast of interferentie-contrast bijlagen aan de microscoop.

Helderveldverlichting

Helderveld verticale verlichting, de meest wijd gebruikte observatiemethode, is verantwoordelijk voor de overgrote meerderheid van genomen micrografen. In werking gaat het licht door het objectief en raakt het monsteroppervlak loodrecht. Oppervlaktekenmerken normaal op het incidente licht reflecteren licht terug door het objectief naar de oculairen, waar de oppervlaktekenmerken helder verschijnen. Oppervlakken schuin op de lichtbundel reflecteren minder licht naar het objectief en verschijnen donkerder, afhankelijk van hun hoek.

Schuine verlichting

Met sommige microscopiën is het mogelijk de condensorassemblage of de spiegel te decentreren zodat het licht dat door het objectief gaat het monsteroppervlak raakt onder een niet-loodrechte hoek. Ruwheid op het monsteroppervlak werpt schaduwen, producerend een driedimensionale uitstraling. Dit stelt de bepaling van kenmerken toe die in relief of ingezaakt zijn. Echter, zeer weinig schuinheid kan worden geïntroduceerd, aangezien deze techniek ervoor zorgt dat de verlichting niet-uniform wordt en de resolutie verlaagt.

Donkerveldverlichting

Bij donkerveldverlichting wordt het licht dat gereflecteerd wordt door schuin georiënteerde kenmerken verzameld, en de stralen die gereflecteerd worden door kenmerken normaal op de incidente bundel worden geblokkeerd. Daarom is het contrast essentieel omgekeerd ten opzichte van helderveldverlichting; dat wil zeggen, kenmerken die helder zijn in helderveldverlichting verschijnen donker, en normaal donkere kenmerken verschijnen helder. Dit produceert heel sterk beeldcontrast, met de schuine kenmerken die luminous verschijnen. Onder dergelijke condities is het vaak mogelijk om kenmerken te zien die niet zichtbaar zijn met helderveldverlichting. Deze methode is met name nuttig voor het bestuderen van korrelstructuren. Echter, de lage lichtintensiteit maakt fotomicrografie moeilijker, een probleem verminderd door het gebruik van automatische belichtingscontrole-apparaten.

Gepolariseerd licht

Gepolariseerd licht, zoals gebruikt in metallografie, is normaal beperkt tot observatie van bepaalde optisch anisotrope metalen, zoals beryllium, alfa-titaan, zirconium en uranium, die moeilijk te etsen zijn maar goed reageren op gepolariseerd licht wanneer correct gepolijst. Voor de ontwikkeling van de elektronenmicroproefanalysator (EMPA) en energie-dispersieve spectroscopie (EDS), was gepolariseerd licht onderzoek een integraal onderdeel van de methode voor het identificeren van insluitingen. Sinds de ontwikkeling van deze instrumenten, is gepolariseerd licht minder frequent gebruikt voor dit doel, aangezien identificatie met EMPA of EDS technieken definitiever is. De meeste metallurgische microscopiën gebruiken nu synthetische Polaroid-filters. De 'polarizer' wordt in het lichtpad voor het objectief geplaatst, en de 'analyzer' wordt in het lichtpad na het objectief geplaatst, normaal net onder het oculair.

Licht bestaat uit transversale golven die trillen in alle richtingen onder rechte hoeken ten opzichte van de voortplantingsrichting. Deze trillingen gebeuren symmetrisch om de voortplantingsrichting en zijn ongepolariseerd. Wanneer licht door een polariserend filter gaat, treden de trillingen slechts in één vlak in de voortplantingsrichting op, en het licht wordt vlak-gepolariseerd genoemd. Dit vlak verandert als het filter wordt gedraaid. Wanneer het analyzer-filter in het lichtpad wordt geplaatst, gaat vlak-gepolariseerd licht erdoor als het trillingsvlak van het licht parallel is aan het trillingsvlak van de analyzer. Als het trillingsvlak van de analyzer loodrecht is op dat van het licht, gaat het licht niet door, en extinctie is het resultaat. Wanneer vlak-gepolariseerd licht gereflecteerd wordt van het oppervlak van een isotroop metaal (ieder metaal met een kubieke kristallografische structuur, zoals ijzer), dan door de analyzer in de gekruiste positie gaat (trillingsvlak loodrecht op dat van het vlak-gepolariseerde licht), is het beeld geëxtingueerd, of donker. Echter, in de praktijk, aangezien de metallurgische microscoop geen perfect vlak-gepolariseerd licht produceert, treedt complete extinctie niet op. Dit is geen ernstig probleem, aangezien gepolariseerd licht in metallografie alleen kwalitatief wordt gebruikt. Spanning-vrije objectieven, normaal achromaten, moeten worden gebruikt. Fluoriet- of apochromatische objectieven zijn ongeschikt. Een sterke wit-lichtbron is nodig om accurate kleureneffecten te produceren.

Als een optisch anisotroop, gepolijst metaal onder de lichtbundel wordt geplaatst met de polarizer en analyzer gekruist, wordt de microstructuur onthuld. De kwaliteit van de monsterbereiding is zeer belangrijk, en het oppervlak moet loodrecht staan op het lichtpad. Rotatie van het monster onder de bundel verandert lichtintensiteit en kleur. Aangezien het moeilijk is om de polarizer en analyzer in de gekruiste positie nauwkeurig in te stellen wanneer een anisotroop monster in plaats is, tenzij de gekruiste posities op de polarizer en de analyzer gemarkeerd zijn, is het best om deze positie eerst te vinden met een isotroop monster.

Wanneer vlak-gepolariseerd licht een anisotroop metaaloppervlak raakt, treedt reflectie op als twee vlak-gepolariseerde componenten onder rechte hoeken ten opzichte van elkaar. De richtingen variëren met kristalstructuur. De sterkte van deze twee loodrechte reflecties kan veranderen, en een faseverschil bestaat tussen hen. Deze verschillen variëren met elk metaal en hangen af van de kristaloriëntatie. Geen reflectie wordt verkregen wanneer het basale vlak van hexagonale of tetragonale kristallen loodrecht staat op de lichtbundel. Maximale reflectie treedt op wanneer de hoofdsymmetrie-as van het kristal loodrecht staat op de lichtbundel. Het resulterende beeld wordt voornamelijk beïnvloed door deze oriëntatie-effecten met faseverschillen van weinig betekenis.

Wanneer de analyzer gekruist is ten opzichte van de polarizer, laat rotatie van vlak-gepolariseerd licht van het anisotrope oppervlak het licht door de analyzer gaan, producerend een beeld waarin elk korrel een andere lichtintensiteit en kleur heeft, afhankelijk van zijn kristaloriëntatie ten opzichte van de lichtbundel. Als het trapje wordt gedraaid, verandert elk korrel vier keer in intensiteit van licht naar donker tijdens een 360 graden rotatie. Als het faseverschil waarnembaar is, is het licht elliptisch gepolariseerd, het verschil in intensiteit in elk korrel met rotatie is minder, en extinctie wordt niet waargenomen. Kleurenbeelden worden verkregen wanneer de gereflecteerde vlak-gepolariseerde licht varieert met golflengte. Wanneer weinig kleur aanwezig is, kan een gevoelige tintplaat tussen de polarizer en het objectief geplaatst worden om kleuring te verbeteren.

Isotrope metalen kunnen worden onderzocht met gekruist-gepolariseerd licht als het oppervlak optisch actief kan worden gemaakt door etsen, kleuren, of anodiseren. Procedures zijn ontwikkeld voor verschillende metalen, echter, niet alle geëtste oppervlakken reageren op gepolariseerd licht. Normaal moet het ets etsgaten of facetjes in elk korrel produceren om dubbele reflectie bij deze kenmerken te veroorzaken. Korrels met verschillende kristaloriëntaties produceren anders georiënteerde gaten of facetjes, wat resulteert in verschillende graden van elliptische polarisatie en dus varierende lichtintensiteit. Anodiseren produceert een dik oxidefilm op het monsteroppervlak en onregelmatigheden in de film leiden tot dubbele reflectie.

Hoewel de polarisatierespons van geanodiseerde monsters is toegeschreven aan optische anisotropie van de film, heeft experimenteren aangetoond dat het effect te wijten is aan filmoppervlakte onregelmatigheden. Tint-etsmiddelen produceren oppervlaktefilms die resulteren in interferentiekleuren die kunnen worden verbeterd met gepolariseerd licht. In het algemeen worden de beste resultaten bereikt wanneer de analyzer lichtjes van de gekruiste positie wordt verschoven. Naast het gebruik bij het onderzoeken van insluitingen, anisotrope metalen (antimoon, beryllium, bismuth, cadmium, kobalt, magnesium, scandium, tellurium, tin, titaan, uranium, zink en zirconium, bijvoorbeeld), en geëtste/geanodiseerde/getinte-geëtste kubieke metalen, is gepolariseerd licht nuttig voor het onderzoeken van gecoate of vervormde metalen. Fase-identificatie kan in sommige gevallen ook worden geholpen. De interne structuur van grafitnodules in gietijzer wordt levendig onthuld met gepolariseerd licht. Martensitische structuren worden vaak beter onthuld met gepolariseerd licht, die lat-martensiet in een hoogsterkte ijzer-basis legering illustreert.

Fase-contrastverlichting

Dit stelt onderzoek toe van subtiele fasevariaties in microstructuren met weinig of geen amplitude-contrast van verschillen in het optische pad aan het oppervlak (gereflecteerd licht) of van verschillen in het optische pad door het monster (doorgelaten licht). Hoogteverschillen van slechts 0,005 micrometer kunnen worden gedetecteerd. Toepassing van fase-contrastverlichting in metallografie is beperkt. De techniek vereist een aparte set objectieven en een speciale verticale verlichter.

Interferentie-contrastverlichting

Differentiële interferentie-contrastverlichting produceert beelden met benadrukte topografische details vergelijkbaar met die waargenomen met schuine verlichting. Details die onzichtbaar of zwak zichtbaar zijn met helderveldverlichting, kunnen levendig worden onthuld met interferentie-contrastverlichting. Voorbeelden van topografische details die kunnen worden onthuld met differentiële interferentie-contrastverlichting zijn de relatieve hardheid van de bestanddelen of de aard van het etsproces, dat wil zeggen, welke gebieden of bestanddelen worden aangevallen door het etsmiddel. In sommige gevallen kunnen andere aspecten van de structuur worden onthuld die onzichtbaar of zwak zichtbaar zijn in helderveldverlichting.

Interferentietechnieken

Verschillende interferentietechnieken worden gebruikt om hoogteverschillen op monsters te meten. Interferentiefringes op een perfect vlak oppervlak verschijnen als rechte, parallele lijnen van gelijke breedte en afstand. Hoogtevariaties zorgen ervoor dat deze fringes gebogen of getand verschijnen, afhankelijk van de gebruikte eenheid. De interferentiemicroscoop deelt het licht van een enkele puntbron in twee of meer golven die na afleggen van verschillende paden worden gesuperponeerd. Dit produceert interferentie. Twee-bundel en meervoudige-bundel instrumenten zijn de twee basistypen interferometers die gebruikt worden. De metingen zijn gebaseerd op de golflengte van het gebruikte licht. Twee-bundel interferometers kunnen hoogteverschillen meten van zo klein als 'λ'/20; meervoudige-bundel interferometers, zo klein als 'λ'/200.

De Linnik-type interferometer is een twee-bundel reflecterende microscoop die niet-gepolariseerd licht gebruikt. Een bundel-splitsingsprisma produceert twee lichtbundels van een monochromatische lichtbron. Een bundel reist door het teststuk-objectief naar het teststukoppervlak en wordt teruggereflecteerd door het objectief naar het oculair. De andere bundel reist door het referentie-objectief, raakt een optisch vlak referentiespiegel, en keert terug naar de bundelsplitser, dan naar het oculair. Als het padverschil tussen de twee bundels niet gelijk is of niet een veelvoud is van 'λ'/2, treedt interferentie op en contourlijnen worden gevormd die locaties van gelijke elevatie aangeven. Het hoogteverschil tussen aangrenzende fringes is 'λ'/2.

De Tolansky meervoudige-bundel interferometer produceert interferentie tussen veel lichtbundels door een referentiespiegel te plaatsen die deels doorlatend en deels reflecterend is, heel dicht bij het monsteroppervlak maar lichtjes uit parallel. De referentiespiegel heeft een bekende reflectiviteit geselecteerd om die van het oppervlak te benaderen. Licht gaat door de referentiespiegel en raakt het monsteroppervlak, wordt gereflecteerd door het monsteroppervlak, en interfereert met de stralen gereflecteerd tussen de referentiespiegel en het monster. De fringes geproduceerd door de meervoudige-bundel interferometer zijn scherper dan die van de twee-bundel interferometer, wat rekening houdt voor de grotere nauwkeurigheid. De afstand tussen de fringes is ook 'λ'/2. Elevaties produceren verplaatsingen van de fringes van parallelle uitlijning. De verplaatsing wordt vergeleken met de afstand tussen de fringes om hoogtemetingen te verkrijgen.

Licht-snede microscopie

De licht-snede microscoop, ook gebruikt om oppervlaktetopografie te meten, complementeert interferentietechnieken. Ruwheidsverschillen van 1 micrometer tot 400 micrometer kunnen worden gemeten, wat nuttig is bij het onderzoeken van bewerkte oppervlakken en voor meting van oppervlaktelagen of films. In werking wordt een spleet geplaatst nabij de veldiris in het verlichtingssysteem en als een lichtlijn gebeeld door een objectief op het te meten oppervlak. Schuine verlichting wordt gebruikt met een donkere achtergrond. De lichtband wordt waargenomen met een tweede objectief dat identiek is aan de eerste. De objectieven staan 45 graden ten opzichte van het monsteroppervlak en 90 graden ten opzichte van elkaar. Een reticulum in het oculair wordt gebruikt voor metingen, of ze worden gemaakt op foto's. Verticale resolutie is niet zo goed als met interferometers, maar laterale resolutie is beter.

Auxiliaire technieken

Verscheidene speciale apparaten kunnen met de optische microscoop worden gebruikt om additionele informatie te verkrijgen. Deze technieken worden hieronder beschreven.

Microhardheidstesten

Micro-indentatie hardheidsgegevens kunnen worden verkregen door indenter-bijlagen aan de microscoop toe te voegen. Enkelvoudig-doel eenheden worden ook door veel fabrikanten van hardheidstoestellen gemaakt. Lasten zijn normaal van 1 g (gram) tot 1.000 g, hoewel sommige fabrikanten eenheden hebben voor lage lasten (0,05 g tot 200 g). Knoop- of Vickers-indenters kunnen worden gebruikt.

Warm-trap microscopie

Warm-trap microscoopcellen zijn beschikbaar van diverse fabrikanten. Enkelvoudig-doel eenheden kunnen ook worden gebruikt. Koude-cel bijlagen zijn ook geproduceerd, maar hebben redelijk beperkt gebruik in metallografie. De warm-trap microscoop is gebruikt om fasetransformaties te bestuderen bij verwarmen, afkoelen of bij constante temperatuur. Onderzoek van reacties in de warm-trap microscoopcel vereist gebruik van lange-werkafstand objectieven, aangezien het monster binnen de cel wordt gehouden. Bovendien, aangezien het celvenster kwarts is, moeten de objectieven kwarts-gecorrigeerd zijn, met name die met vergrotingen van 20x of meer.

Technieken anders dan chemisch etsen moeten worden gebruikt om fas veranderingen te bekijken. Korrelgrenzen moeten thermisch geëtst worden als het monster bij constante temperatuur in het vacuüm wordt gehouden. Korrelgrens-grooving is gemakkelijk observeerbaar met helderveldverlichting. Fasetransformaties zijn zichtbaar door het relief geproduceerd aan het oppervlak. Daarom zijn schuifreacties, zoals die geproduceerd door martensiet- of bainietvorming, het gemakkelijkst observeerbaar. Andere fasetransformaties zijn moeilijker of onmogelijk te observeren. Transformaties kunnen in situ worden gefotografeerd, waarvoor doorgaans filmcamera's worden gebruikt.

Speciale trapjes

Deze zijn beschikbaar in een verscheidenheid van configuraties. Auto-niveleer trapjes voor gemonteerde monsters zijn een typisch voorbeeld. Universele kantel-trapjes zijn ook gemaakt voor snelle manipulatie van ruwe, onregelmatige monsters. Speciale trapjes zijn ook ontworpen voor het hanteren van kleine objecten. Een aantal trapjes is gemaakt voor het uitvoeren van in-situ experimenten. Basisonderzoeken van solidificatie zijn uitgevoerd door in-situ observatie van het bevriezen van laag-smeltpunt organische materialen, zoals kampfeen, die als metalen solidificeren. Observatie van de herkristallisatie van laag-smeltpunt metalen en legeringen is op dezelfde manier waargenomen. Speciale trapjes zijn gebruikt om de voortgang van elektrolytische polishing en etsen te observeren. Cellen zijn ook gebruikt voor in-situ examinatie van corrosieprocessen. Trapjes zijn ontworpen om een verscheidenheid van processen te observeren die statische of dynamische spanning omvatten, en apparaten zijn ook ontworpen om fysieke extractie van insluitingen toe te staan.

Warm-cel microscopie

Metallografische bereiding van radioactieve materialen vereist remote-control bereiding met behulp van speciaal ontworpen warme cellen. Speciale microscopiën zijn ontworpen voor gebruik met de warme cel.

Veldmicroscopie

Wanneer de microstructuur van een component of groot object dat niet gesneden en naar het laboratorium verplaatst kan worden, moet worden onderzocht, kan draagbaar laboratoriumapparatuur, gemaakt door diverse fabrikanten, worden gebruikt om een sectie in situ te polijsten. Een draagbare microscoop kan soms worden gebruikt om de microstructuur te onderzoeken en te fotograferen. Als dit niet kan, kunnen replica's worden gemaakt en onderzocht met een optische microscoop of een elektronenmicroscoop.

Vergelijkingsmicroscopiën

De noodzaak ontstaat occasioneel om twee microstructuren te vergelijken. Normaal wordt dit uitgevoerd door micrografen van elk monster naast elkaar te plaatsen, maar het kan ook worden uitgevoerd met speciale microscopiën. Een brug-comparator wordt gebruikt om beelden van twee bankmicroscopiën te combineren voor gelijktijdige observatie.

Televisiemonitors

Projectiemicroscopiën kunnen worden gebruikt voor groepsobservatie, maar het is gebruikelijker om de microstructuur op een zwart-wit of kleurenmonitor weer te geven. Een aantal hoog-resolutie gesloten-circuitsystemen is beschikbaar.

Schoonruimte microscopie

De studie van kleine deeltjes wordt beïnvloed door stofverontreiniging tijdens het bekijken. Derdergelijk werk moet worden uitgevoerd in een schoonbak, schoonbank of schoonruimte die speciaal gemaakt is om een stofvrije omgeving te bieden.

Beeldanalysatoren

Het verhoogde gebruik van kwantitatieve metallografie, met name voor karakterisatie van insluitingen, heeft de ontwikkeling van geautomatiseerde beeldanalysesystemen gebaseerd op televisieprincipes bevorderd. Fasen of bestanddelen van belang worden primair gedetecteerd door verschillen in lichtreflectiviteit die grijswaardeverschillen op de monitor produceren. De meerderheid van de stereologische metingen kan met deze systemen worden gemaakt. Aanzienlijke automatisering is bereikt met geautomatiseerde trapjes en krachtige minicomputers. Hoewel deze apparaten tamelijk duur kunnen zijn, hebben ze belangstelling gestimuleerd in stereologie en de toepassing ervan op structuur-eigenschap correlaties.

Kenmerken worden gedetecteerd op gepolijste of geëtste monsters, afhankelijk van de aard van het kenmerk van belang. Als etsen nodig is, worden selectieve technieken normaal gebruikt. Veld- en kenmerkspecifieke metingen worden gebruikt. Veldmetingen meten alle gedetecteerde kenmerken gelijktijdig, zoals in volumefractiemetingen. Bij kenmerkspecifieke metingen wordt elk afzonderlijk deeltje achtereenvolgens gemeten. Deze procedure wordt normaal gebruikt voor vorm- en groottemetingen.

Sommige structuren lenen zich niet voor accurate metingen met dergelijke systemen. Bijvoorbeeld, kwantificering van breukoppervlakte detail kan niet worden uitgevoerd met een automatische beeldanalysator, aangezien het apparaat breukkenmerken niet kan scheiden op grijswaarde. Veel transmissie elektronenmicrografische structuren kunnen ook niet worden geanalyseerd met deze apparaten. Voor dergelijke structuren kunnen semi-automatische traceringsapparaten worden gebruikt met de operator die detectie uitvoert met een lichtpen of stift. Deze lagere-kost systemen kunnen worden gebruikt voor bijna elke stereologische meting. Vanwege de grotere tijd die nodig is voor detectie, zijn ze minder geschikt voor meetproblemen die bemonstering van veel velden vereisen.

Fotomicrografie

Voor de ontwikkeling van fotografische bijlagen, moesten microstructuren worden geschetst. Hoewel de noodzaak voor dergelijke documentatie niet meer bestaat, blijft schetsen nuttig als een onderwijsmethode. Fotomicrografie is belangrijk in metallografie, aangezien de fotomicrograaf het waargenomen detail getrouw kan reproduceren voor anderen om te bekijken. Met de momenteel beschikbare apparatuur worden hoge-kwaliteit micrografen gemakkelijk geproduceerd. Echter, dit vereist zorgvuldige aandacht voor monsterbereiding, etsen, en gebruik van de microscoop. Reproductie van valse microstructuren is al te veelvuldig en heeft geleid tot onnauwkeurige interpretaties, afkeuring van goede materialen, en foute conclusies in falingsanalyses.

Historisch gezien zijn donkere kamer fotografische procedures het meest prevaillent geweest. Sinds de introductie van instantane fotografische processen zoals Polaroid, zijn echter veel fotomicrografen gemaakt met deze materialen, profiterend van hun snelheid en efficiëntie. Echter, beeldreproductie wordt geofferd, en het proces moet voor elke extra kopie worden herhaald. Gebruik van een automatische belichtingsapparaat is noodzakelijk met instant procesfilm om verspilling te minimaliseren. Traditionele donkere kamer fotografische methoden vereisen meer inspanning, maar leveren betere micrografen. Aanzienlijke automatisering in natte donkere kamer processen is mogelijk, maar frequente gebruik van fotomicrografie is nodig om de kosten van dergelijke apparatuur te rechtvaardigen.

Het verkrijgen van goede micrografen vereist adequate beeldcontrast en resolutie, uniform focus over het hele veld, uniforme verlichting, en adequate diepgang. De lichtbron moet correct worden uitgelijnd, en het systeem moet vrij zijn van trillingen. Het geel-groen filter moet worden ingezet om lensdefecten te corrigeren. De optica moet schoon zijn, en de veld- en apertuurdiaphragma's moeten correct worden ingesteld. De microscoop wordt op diverse manieren gefocust, afhankelijk van het model. Verschillende filmformaten kunnen worden gebruikt, zoals platen, velfilm van verschillende formaten, of 35-mm rolfilm. De vergroting op het filmvlak moet bekend zijn. Dit is een eenvoudige procedure als de enige variabelen de objectief- en oculairvergroting zijn, maar is moeilijker bij gebruik van een zoom-systeem of bellows. Een trapje-micrometer kan worden gebruikt om de echte vergroting te bepalen.

Een reeks zwart-wit en kleurenfilms is beschikbaar voor donkere kamer of instant technieken. De fabrikanten van deze films documenteren filmkenmerken. Zwart-wit films worden normaal gebruikt vanwege hun lagere kosten. Ze tonen betere contrastcontrole, zijn gemakkelijker te verwerken, en zijn normaal sneller te gebruiken dan kleurenfilms. Kleurenfilm heeft enkele belangrijke toepassingen waarvoor de kosten gerechtvaardigd zijn. In traditionele zwart-wit fotografie wordt eerst een negatiefbeeld geproduceerd en wordt gebruikt om een positiefbeeld van de microstructuur op geschikt papier te produceren. De micrograaf duurt veel jaren zonder duidelijke verandering. Selectie van de negatieve film is gebaseerd op het beschikbare formaat, kleurgevoeligheid, contrast, resolverend vermogen, snelheid, korrelvorming, en belichtings- en ontwikkelingslatituden.

Sommige zwart-wit films zijn niet gevoelig voor het hele zichtbare spectrum. Orthochromatische films zijn gevoelig voor alle kleuren behalve oranje en rood. Panchromatische films zijn gevoelig voor alle kleuren, hoewel ze blauw benadrukken en geel de-accentueren. Een geel filter kan worden gebruikt om deze kleurboor te verminderen.

Orthochromatische films kunnen worden ontwikkeld onder donker rood licht, maar panchromatische films hebben totale duisternis nodig. Orthochromatische films zijn erg goed voor fotomicrografie, met name wanneer een geel-groen filter wordt ingevoegd om lensdefecten te corrigeren.

Filmsnelheid is een kritieke variabele alleen wanneer verlichting laag is, zoals in gepolariseerd licht, interferentie-contrast, of donkerveldverlichting. Orthochromatische film heeft een medium contrast wat adequaat is voor de meeste structuren. Contrast kan worden verbeterd met een hoog-contrast film. Het resolverend vermogen van een film definieert haar vermogen om fijn detail in het beeld vast te leggen. Daarom is een hoog-resolverend-vermogen film wenselijk. Korrelvorming hangt af van de grootte van de zilverkorrels in de emulsie, de ontwikkelaar gebruikt, en de ontwikkelingsduur en -temperatuur. Hoge-snelheidsfilms zijn korreliger dan lage-snelheidsfilms, wat ze minder geschikt maakt voor vergroting. Contactprinten wordt geprefereerd. Het vereist een groot filmformaat, maar bespaart vergrotingstijd. Het produceert betere beelden en elimineert herbepaling van de vergroting van de print. Een fijn-korrelfilm biedt de beste resolutie.

Wanneer een negatief wordt belicht, is er een toelaatbaar bereik van belichtingen dat een bruikbaar, printbaar negatief produceert. Wijde belichtingslatitude is redelijk waardevol. Elke film bevat informatie over haar kenmerkende relatie tussen belichtingstijd en dichtheid. De geselecteerde belichting moet op het lineaire deel van de dichtheid-tijd curve liggen. Een goed, dicht negatief laat onderdrukking van sommige fijn beelddefecten tijdens printen toe. Een onderbelicht negatief beperkt printen sterk en resulteert normaal in een slechte print. Ontwikkeling van negatieven is redelijk eenvoudig en omvat gebruik van een ontwikkeloplossing, een stopbad, een fixeroplossing, alsook wassen en drogen.

De correcte belichting wordt het gemakkelijkst bepaald met een ingebouwde belichtingsmeter. Als dit niet beschikbaar is, kan een testbelichtingsserie worden gemaakt. Dit wordt bereikt door de filmschuif volledig uit te trekken en het hele film te belichten voor een tijd die beoordeeld wordt als aanzienlijk korter dan die nodig is. De schuif wordt dan ingevoegd zodat het ongeveer 10 mm tot 20 mm van de film bedekt, en de belichting wordt herhaald. Dit wordt incrementeel herhaald tot de schuif volledig is ingevoegd, de film bedekkend. Na ontwikkeling kan de correcte tijd worden beoordeeld op basis van de dichtheid van het negatief in elke band.

Alternatief kan de trapbelichting worden uitgevoerd met een instant film van dezelfde snelheid, wat de donkere kamertijd bespaart. De meerderheid van de zwart-wit films worden contactgeprint. Het negatief wordt emulsiezijde omhoog op de contactprinter geplaatst, en een geschikt papier wordt emulsiezijde omlaag over het negatief geplaatst. De printer wordt gesloten, en licht wordt door het film naar het papier geleid. De print wordt ontwikkeld, gestopt, gefixeerd, gewassen en gedroogd. Printcontrast wordt gecontroleerd door het type papier en ontwikkelingsduur. Printcontrasttypen variëren van extra-zacht (vlak) tot extra-contrast (graden 1 tot 5). Nummer 3 papier wordt het meest gebruikt. Nummer 4 papier wordt gebruikt om contrast te verhogen, en Nr. 2 papier om contrast te verlagen.

Instant procesfilms elimineren het donkere kamerwerk, wat het proces versnelt. Polaroid prints gebruiken het diffusie-transfer omkeersproces. Ontwikkeling begint wanneer de film uit de camera wordt gehaald na de belichting. De actie van het uittrekken van de film uit de camera knest een pod met de viscieuze, etsende ontwikkelaar en verspreidt het over de film. Zwart-wit films ontwikkelen snel terwijl kleurenprints iets meer tijd nodig hebben. Sommige Polaroid films hebben zeer hoge snelheden, een voordeel in dimme verlichting. Sommige prints moeten worden gecoat met een neutraliserende stabilisator/beschermende vernies om vlekken en vervaging te voorkomen. Ook beschikbaar zijn instant films die een negatief en een positieve print produceren. Dit negatief moet worden gewist, maar een donkere kamer is niet vereist. Polaroid films gebruikt in microscopie zijn allemaal panchromatisch. Ze zijn beschikbaar als rolfilm, film-pakketten, of vellen. Belichtingstijden moeten nauwkeuriger worden gecontroleerd om goede prints te krijgen dan met traditionele natte-procesfilms.

Macrofotografie

Onderzoek en fotografie zijn vaak nodig voor dergelijke objecten als macro-geëtste schijven en gebroken onderdelen. Onderzoek kan visueel worden uitgevoerd of met hulp van een eenvoudige handlens of stereomicroskoop. Macrofotografie kan worden uitgevoerd met de meerderheid van de camera's, misschien geholpen door gebruik van close-up lensbijlagen, een bellows, of een macro-lens. Veel stereomicroscopiën kunnen met camera's worden uitgerust voor fotografie terwijl sommige stereo-paren maken. Een paar fabrikanten bieden camerastanden voor macrofotografie. Sommige metallografen hebben ook lage-vergroting objectieven die bepaalde typen macrofotografie kunnen uitvoeren.

Macrofotografie gebruikt vergrotingen van minder dan 1x tot 50x. De meeste laboratoria, met name die betrokken bij falingsanalyses, hebben diverse camera's, lichtbronnen en stereo-viewers om het brede bereik van te fotografieren objecten te dekken. Correcte verlichting is nodig om details te benadrukken en uniforme verlichting zonder glare of reflectie te bieden. Aanpassing van verlichting vereist enige experimentering en ervaring. Beschikbare verlichting omvat floodlampen, ringen, coaxiale, of vezeloptica. Een lichtbak is nuttig voor het elimineren van schaduwen, maar aanzienlijke creativiteit is nodig om goede resultaten te bereiken.

Diepgang en resolutie zijn belangrijke variabelen. Veel van de te fotografieren objecten zijn driedimensionaal, wat een zekere diepgang en correcte verlichting vereist om vorm en textuur te onthullen. Diepgang varieert met de apertuurdiaphragma-lensinstelling, de vergroting, en de brandpuntsafstand van de lens. Het stoppen van de apertuur verbetert de diepgang, maar verlaagt beeldhelderheid en helderheid. Diepgang neemt ook toe naarmate de vergroting afneemt en de brandpuntsafstand toeneemt. Voor vergrotingen onder 5x, worden brandpuntsafstanden van 100 mm of meer geprefereerd. Kortere-brandpuntsafstand lenzen worden gebruikt voor hogere vergrotingen.