Диафрагмы

Опубликовано в Металлография.

В других статьях на этом сайте рассмотрены основные методы контрастирования в микроскопии:
Темное поле;
Поляризованный свет;
Дифференциально-интерференционный контраст.
Тем не менее, не всегда применение этих методов дает результат. Например, требуется рассмотреть дефекты отпечатка индентора микротвердомера. В светлом поле изображение нерезкое (рис.1,а); рассмотреть детали изображения отпечатка или трудно, или невозможно. Применение темного поля (рис.1,б) здесь тоже не продуктивно – центр изображения затемнен, изображение хуже, чем в светлом поле. Следовательно, надо использовать иной метод контрастирования.

diafr1 diafr2
 а б 

Рисунок 1. Отпечаток индентора микротвердомера: а – светлое поле, б – темное поле.

Для повышения качества светлопольного изображения в металлографических микроскопах применяются также диафрагмы – апертурная и полевая.

Пример использования апертурной диафрагмы дан на рис.2. Согласно известным данным, апертурная диафрагма (действующая диафрагма) — это специально установленная диафрагма или оправа одной из линз, которая ограничивает пучки лучей, выходящие из точек предмета, расположенных на оптической оси и проходящих через оптическую систему. С увеличением диаметра входного зрачка (действующего отверстия оптической системы) растёт освещённость изображения. На рис.2 изображения расположены в порядке возрастания диаметра входного зрачка - это показывает цифра под соответствующим изображением. Видно, что освещенность возрастает при возрастании цифры.  На изображении рис.1 освещенность максимальна (апертурная диафрагма в положении "6"). Уменьшение до известного предела действующего отверстия оптической системы улучшает качество изображения, так как при этом из пучка лучей устраняются краевые лучи, на ходе которых в наибольшей степени сказываются аберрации. На рисунке 2 наилучшее качество имеет изображение, соответствующее значению диафрагмы "1".  Диафрагмирование увеличивает также глубину резкости (глубину резко изображаемого пространства), что и дает возможность получить детали в центре изображения отпечатка. В то же время уменьшение действующего отверстия снижает, из-за дифракции света на краях диафрагмы, разрешающую способность оптической системы. В связи с этим апертура оптической системы должна иметь оптимальное значение. Это достигается подбором.

diafr2-1 diafr2-2 diafr2-3
1 2 3
diafr2-4 diafr2-5 diafr2-6
4                                5                                6

Рисунок 2. Изображения отпечатка индентора микротвердомера при различных положениях апертурной диафрагмы (положение полевой диафрагмы – 1).

Полевая диафрагма, диафрагма поля зрения — непрозрачная преграда, ограничивающая линейное поле оптической системы в пространстве предметов или в пространстве изображений (ru.wikipedia.org). Полевая диафрагма определяет, какая часть пространства может быть изображена оптической системой. Как видно, влияние полевой диафрагмы на качество изображения не столь существенно, как апертурной диафрагмы. 

diafr3-1 diafr3-2 diafr3-3
                               1                               2                               3 
diafr3-4 diafr3-5  
                            4                                5   

Рисунок 3. Изображения отпечатка индентора микротвердомера при различных положениях полевой диафрагмы (положение апертурной диафрагмы – 6).

Как изменение положения диафрагм влияет на качество изображения структуры? Для примера можно привести изображение грязи на предметном стекле (рис.4). Грязь случайная, в основном - отпечатки пальцев. Цифра под рисунком - положение апертурной диафрагмы. При изменениии ее положения изменяется контрастность изображения. Можно отметить еще один эффект использования диафрагмы. При снижении диаметра входного зрачка (= уменьшение цифры под рисунком) все более заметна грязь в оптической системе микроскопа - темное пятно в правой части кадра.  

diafr3  diafr4  diafr5 
 1
 diafr6  diafr7  diafr8
 4

Рисунок 4. Изменение контрастности изображения при изменении положения апертурной диафрагмы.

Апертурная диафрагма и структура металлов

Как влияет изменение положения апертурной диафрагмы на изображения более реальных структур? Ниже представлена серия фотографий завтектоидной зоны цементованного слоя армко-железа. Используемое увеличение велико (2000х), и требуется повышение контрастности кадра. При изменении положения апертурной диафрагмы от 6 до 1 детали структуры - перлит, цементит -  становятся более четкими. Поскольку шлиф был протравлен, детали структуры видны при практически любом положении диафрагмы, вопрос только в том, насколько контрастно. Это зависит и от структуры конкретного образца. Имеются случаи, когда диафрагмирование позволяет увидеть то, что без диафрагмирования не видно в принципе. На рис.6 представлены 2 снимка чугуна без травления, но с разным положением апертурной дафрагмы. При положении диафрагмы в позиции 6 в структуре наблюдается только графит на фоне блестящей матрицы (рис.6,а). При положении диафрагмы в позиции 1 в структуре можно наблюдать цементит (рис.6,б). Участок ледебуритной эвтектики на нетравленном шлифе при положении апертурной диафрагмы  - 1 показан на рис.7. 

ap1  ap2  ap3 
 1
 ap4  ap5  ap6
 4

Рисунок 5. Структура заэвтектоидной зоны цементованного слоя при изменении положения апертурной диафрагмы. 

diafr9   diafr10
                                               а                                                  б 

Рисунок 6. Структура серого чугуна в отсутствие травления: а - положение апертурной диафрагмы - 6; б - положение апертурной диафрагмы - 1.

diafr11

Рисунок 7. Выявление ледебурита при изменении положения апертурной диафрагмы.

При изменении положения апертурной диафрагмы можно наблюдать и более "тонкие" эффекты, такие как полосы скольжения в местах локализации деформации. На рис.7 показана зона деформации в стали 45 вокруг отпечатка твердости по Бринеллю. При уменьшении диаметра входного зрачка визуализируется структура - выявляются границы зерен и линии скольжения.

diafr12   diafr13
                                               а                                                  б 

Рисунок 8. Деформированная зона вокруг отпечатка индентора (Бринелль) при положении апертурной диафрагмы 6 (а) и 1 (б).

Апертурная диафрагма и структура на репликах

Структуры металлов, получаемые со шлифов, все-таки достаточно контрастны. Менее контрастны реплики – слепки, получаемые с поверхности шлифа. Иногда реплика является единственным способом получения изображения структуры – если вырезка образца из изделия или конструкции невозможна. Структура на реплике имеет менее выраженный рельеф, поэтому металлографическое контрастирование особенно актуально. При этом велика роль апертурной диафрагмы. Примеры контрастирования с применением апертурной диафрагмы для реплик, снятых с полированных участков стальных конструкций, показаны  на рис. 8 и 10.

repl1   repl2
                                               а                                                      б 

Рисунок 9. Структура литой стали, реплика; положение апертурной диафрагмы 6(а) и 1(б)

repl3  repl4 
                                                  а                                                     б 

 Рисунок 10. Структура доэвтектоидной стали, реплика; положение апертурной диафрагмы 6(а) и 2(б)

 Пример чрезмерного диафрагмирования приведен на рис.11. Для реплики, изображенной на рис.11,а, положение апертурной диафрагмы - 2, на рис.11,б - 1. Видно, что на рис. 11,б некоторые детали изображения теряются.

repl7  repl8 
                                              а                                                      б 

Рисунок 11. Реплики серого чугуна.

Для реплик, кроме того, результативно применение косого освещения. Метод косого освещения является разновидностью светлопольного освещения, отличаясь тем, что в создании изображения участвуют преимущественно косые лучи, не параллельные оптической оси системы. В ряде случаев это позволяет выявить "рельефность" объекта за счёт образования теней. Косое освещение достигается обычно использованием призмы косого освещения или смещением апертурной диафрагмы по отношению к оптической оси системы; при этом достигается изменение плоскости падения света на объект. Конкретный пример использования косого освещения продемонстрирован на рисунке 12. Линии скольжения и фазы, располагающиеся по границам зерен, наилучшим образом видны при использовании косого освещения.

repl5 repl6
                                             а                                                  б

Рисунок 12. Изображение структуры, полученное в светлопольном освещении (а) и в косом свете смещением апертурной диафрагмы (б).