О резкости изображения

Опубликовано в Металлография.

Резкость изображения - это четкость границы между соседними участками изображения с различной оптической плотностью. Измеряется быстротой изменения оптической плотности в направлении, перпендикулярном границе участка изображения (Советский энциклопедический словарь, М. : Советская энциклопедия, 1983).

Вопрос о резкости в любительской фотографии однозначен – снижение резкости изображения означает снижение качества фотографии. В художественной и любительской съемке наряду с резкостью используется понятие глубины резкости. Глубина резкости (глубина изображаемого пространства) – наибольшее расстояние, измеренное вдоль оптической оси, между точками в пространстве, изображаемыми оптической системой достаточно резко. (Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия, 1983). Оптическая система будет давать резкое изображение точек q, q1,q2 в точках q, q1,q2 соответственно (рис. 1). Если наблюдение производится выше точки q1, то наблюдатель увидит не точку, а круг диаметром d1. Если наблюдение производится ниже плоскости фокусировки, соответственно, будет наблюдаться круг диаметром d2.

схема, поясняющая понятие глубины резкости

Рисунок 1. Схема формирования изображения; L – линза, Q – плоскость наводки, Q - плоскость фокусировки.

Глубину резкости так или иначе имеют все оптические приборы, связанные с наблюдением и фиксированием изображения. Художественная фотография «играет» с глубиной резкости для получения наиболее выразительных изображений. В металлографии дело обстоит несколько иначе - на первый план выдвигается информативность изображения, т.е. получение максимального количества деталей структуры материала для последующего анализа. В качестве примера четкого изображения можно привести структуру закаленного сплава ЭИ437Б (рис. 2), где видно все – границы зерен и двойники.

микроструктура сплава ЭИ437Б

Рисунок 2. Микроструктура никелевого сплава ЭИ437Б.

Нечеткое изображение появляется или в результате неправильной установки образца, или в случае исходно неровной исследуемой поверхности. В последнем случае и важна глубина резкости. На рис.3 показан излом стали, сфотографированный на металлографическом микроскопе. В резкости находятся детали структуры в верхней точке образца. Все нерезкое располагается ниже фокуса.

излом стали; почвенная коррозия

Рисунок 3. Излом детали сельхозтехники, подвергавшийся почвенной коррозии.

При неправильной установке плоского образца будет видна полоса структуры «в резкости», а по обе стороны от нее будут располагаться участки размытого изображения «еще не в резкости» (ниже фокуса) и «уже не в резкости» (выше фокуса). Из элементарных соображения понятно, что четкий участок структуры будет именно полосой с параллельными границами. На рис.4 показан участок структуры на шлифе, расположенном наклонно к оси объектива. Участок 1 – ниже фокуса, 3 – выше фокуса. Ширина участка между двумя красными линиями, умноженная на косинус угла наклона образца, и будет глубиной резкости.

структура армко-железа; обработка компрессионной плазмой

Рисунок 4 . Изменение резкости на образце с плоской наклонной поверхностью.

Если участок четкого (или нечеткого) изображения имеет криволинейную границу, то кривой является сама поверхность образца (рис.5 ). Фокусировка выполнена на участок образца, отмеченный штриховкой. Остальные участки поверхности находятся выше и ниже отмеченного участка.

поверхность, сформированная компрессионной плазмой

Рисунок 5. Поверхность стали, обработанная плазмой азота; темное поле

Из элементарных соображений понятно, что если образец установлен ровно, но выше или ниже фокуса, вся поверхность находится не в резкости (рис.6).

пример нерезкого изображения структуры; чугун

Рисунок 6. Нечеткое изображение структуры (серый чугун)

Классические металлографические микроскопы имеют небольшую глубину резкости. Это связано с объектом исследования – плоскими полированными поверхностями металлов (шлифами). Глубина резкости здесь, в первом приближении, не важна. Гораздо важнее создать хорошо отражающую плоскую поверхность, на которой после металлографического травления будут видны все особенности структуры (при правильной фокусировке, разумеется).
В этой связи уместно разделить металлографические объекты (шлифы) на 2 принципиально различные категории:
1 – шлифы, имеющие ровную поверхность с микроскопической точки зрения. Это значит, что истирание поверхности в процессе шлифовки и полировки происходит равномерно за счет того, что все фазы материала имеют примерно одинаковые характеристики трения.
2 – шлифы, имеющие неровную поверхность за счет того, что в материале присутствуют мягкие и твердые фазы. Мягкая фаза в процессе пробоподготовки выполировывается более интенсивно. В результате наиболее твердые фазы выступают над поверхностью, а наиболее мягкие – утоплены внутрь.
Для объектов второй категории вопрос глубины резкости имеет большое значение, поскольку глубины резкости металлографического микроскопа не хватает для получения изображения со всеми деталями структуры. Поэтому для получения информативного изображения есть 2 варианта:
• диафрагмирование без изменения наводки на резкость; этот вопрос обсуждается в разделе «диафрагмы»;
• изменение наводки на резкость с получением нескольких кадров, содержащих различные детали структуры.

 Пример показан на рис.7 для литой стали ДИ23 (5Х3В3МФС). а – «нормальное» наведение на резкость, при этом дендритная структура «угадывается». б – выше фокуса, видны нерастворившиеся фазы и рельеф в междендритном пространстве. в – ниже фокуса, проявляется фаза в междендритном пространстве. Положение апертурной диафрагмы для всех трех кадров одинаковое.
Т.е. «в общем» мы видим структуру только при определенном наведении на резкость. При выведении из резкости удалением объектива от объекта выявляются фазы, которые тверже матрицы. И мы видим их может быть и не четко, но осознанно. При приближении объектива к объекту наиболее выразительно выглядит мягкая фаза в междендритном пространстве, которая расположена чуть ниже матрицы и выполировалась при подготовке шлифа.

структура литой стали ДИ23 литая сталь ДИ23
                                             а                                                   б 
литая сталь ДИ23  
                                               в  

Рисунок 7. Структура литой стали ДИ23.

Изменение фокусировки позволяет видеть совершенно разные детали структуры, которые совместить в одном кадре практически невозможно. Известно, что выявление зерна (бывшего аустенитного) в стали представляет достаточную трудность. Часто для этого используется специфическое травление, которое позволяет глубоко вытравить границу. Например, на рис.8 показана структура стали после закалки и травления на зерно. При фокусировке на поверхность виден, в основном, мартенсит (рис.8 а); границы зерен не видны. При приближении объектива к поверхности в фокус попадают границы зерен (рис.8 б), мартенсит практически не виден, так как находится за пределами глубины резкости.

fige17 fige18
                                        а                                          б

Рисунок 8. Структура стали: а - фокусировка на мартенсит; фокусировка на границы зерен

Изменением наводки на резкость можно зафиксировать особенности структуры объемных объектов. На рис.9 показаны кристаллы соли мертвого моря. К гладкой вертикальной поверхности крупного кристалла прилипли 3 фрагмента, состоящие из мелких кристаллов. Поверхность крупного кристалла настолько чистая и гладкая, что мелкие фрагменты отражаются в ней, как в зеркале (съемка на отражение в темном поле). При изменении наводки на резкость можно увидеть каждый из трех фрагментов.

соль мертвого моря соль мертвого моря
                                             а                                                б
соль мертвого моря соль мертвого моря
                                                в                                                   г

Рисунок 9. Кристаллы соли мертвого моря, а – в - последовательная наводка на резкость, г - монтаж изображения по трем кадрам

В целях повышения глубины резкости материаловедение использует стерео- или растровые микроскопы. Достоинства и недостатки их применения рассмотрены на этом сайте в монографии "Практика металлографического исследования материалов" в разделе «Публикации». Здесь же приводятся фотографии объемных объектов (рис. 10, 11), полученные на оборудовании с большой глубиной резкости.

сплав титан-кремний, полученный СВС

 Рисунок 10. Поверхность материала Ti-Si, полученного СВС; растровый электронный микроскоп

сплав АЛ3,излом дендриты на изломе сплава АЛ3
   

Рисунок 11. Излом силумина при различных увеличениях; стереомикроскоп