Optische Mikroskopie: Prinzipien und Anwendungen

Optische Mikroskopie

Die Mikroskopie befasst sich mit der Vergrößerung des Bildes von Objekten, die zu klein sind, um mit dem bloßen Auge richtig gesehen zu werden. Die Mikroskopie erfüllt ihre Aufgabe, indem sie die Strahlung (Abb. 1) nutzt, die von der zu beobachtenden Probe emittiert, absorbiert, transmittiert oder reflektiert wird. Die Art der Strahlung bestimmt die Art der Mikroskopie, wie optische Mikroskopie, Elektronenmikroskopie, Röntgenmikroskopie oder akustische Mikroskopie usw. Der sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums ist die Strahlungsart, die von der optischen Mikroskopie verwendet wird. Optische Mikroskopie ist die mikroskopische Untersuchung von Materialien durch das optische Mikroskop.

Grobe Lupen wurden in der Antike verwendet, aber die Entwicklung moderner Mikroskope begann im 17. Jahrhundert. Obwohl das erste Zusammengesetzte Mikroskop 1595 von Hans und Zacharias Janssen gebaut wurde, gelang es Antoni van Leeuwenhoek (1632–1723), Linsen so gut herzustellen, dass er in seinen sehr einfachen Mikroskopen eine erstaunliche Vergrößerung von etwa 300-fach erreichte. Auf Anregung des Wissenschaftlers Robert Hooke um 1670 baute der Instrumentenmacher Christopher Cock in London ein sehr erfolgreiches zusammengesetztes Mikroskop. Mit diesem Instrument konnte Hooke Zellen beobachten. Hookes Mikroskop kann als der Vater moderner Instrumente angesehen werden.

Das optische Mikroskop, häufig als „Lichtmikroskop“ bezeichnet, ist eine Art von Mikroskop, das sichtbares Licht (Abb. 1) und ein Linsensystem verwendet, um Bilder kleiner Proben zu vergrößern. Optische Mikroskope sind die ältesten und einfachsten Mikroskope. Es ist ein sehr wichtiges Instrument für die Untersuchung der Mikrostruktur, trotz der Entwicklung hochentwickelter elektronenmetallographischer Instrumente. Das hochentwickelte „Rasterelektronenmikroskop“ (REM) und „Transmissionselektronenmikroskop“ (TEM) sind ebenfalls unschätzbare Instrumente. Sie sollten jedoch in Verbindung mit dem optischen Mikroskop verwendet werden, nicht als Ersatz.

Alle Untersuchungen der Mikrostruktur beginnen mit der Verwendung des optischen Mikroskops, beginnend bei niedriger Vergrößerung, wie 100×, gefolgt von schrittweise höheren Vergrößerungen, um die grundlegenden Merkmale der Mikrostruktur effizient zu beurteilen. Die meisten Mikrostrukturen können mit dem optischen Mikroskop beobachtet und anhand ihrer Merkmale identifiziert werden. Die Identifizierung fragwürdiger oder unbekannter Bestandteile kann durch Beobachtung ihrer Härte relativ zur Matrix, durch ihre natürliche Farbe, durch ihre Reaktion auf polarisiertes Licht und durch ihre Reaktion auf selektive Ätzmittel unterstützt werden. Diese Beobachtungen werden mit den bekannten Details über die physikalische Metallurgie des untersuchten Materials verglichen. Wenn Zweifel bestehen oder die Struktur zu fein zum Beobachten ist, müssen anspruchsvollere Techniken eingesetzt werden.

Probenpräparation und Untersuchung

Das optische Mikroskop kann sowohl polierte als auch geätzte metallographische Proben untersuchen. Bestimmte Bestandteile sind im ungestörten Zustand leichter zu beobachten, da sie nicht durch Ätzdetails verdeckt werden. Einschlüsse, Nitride, bestimmte Karbide und intermetallische Phasen können ohne Ätzen leicht beobachtet werden. Außer bei Einschlüssen können die anderen Phasen leichter untersucht werden, wenn während des Endpolierens etwas Relief eingeführt wird. Die Proben müssen angemessen präpariert werden, um eine korrekte Beobachtung und Interpretation der Mikrostruktur ohne Komplikationen durch Artefakte zu gewährleisten. Proben, die auf polarisiertes Licht reagieren, wie Materialien mit nicht-kubischen Kristallstrukturen, werden normalerweise ohne Ätzen untersucht. In den meisten Fällen muss jedoch geätzt werden, um die Mikrostruktur zu beobachten. Zunächst wird normalerweise ein Universalätzmittel verwendet, um die Kornstruktur und die vorhandenen Phasen zu enthüllen, gefolgt von selektiven Ätzmitteln, die gezielt Phasen von Interesse angreifen oder färben. Selektive Ätzmittel werden häufig für die quantitative Metallographie verwendet, insbesondere wenn sie mit einem automatisierten Gerät durchgeführt werden. In jedem Fall muss das Ätzen sorgfältig durchgeführt werden, um die Mikrostruktur mit Klarheit zu enthüllen.

Optisches Prinzip der Mikroskopabbildung

Ein Mikroskop verwendet ein Objektiv mit sehr kurzer Brennweite, um ein stark vergrößertes Bild zu erzeugen. Dieses Bild wird dann mit einem Okular mit kurzer Brennweite als einfacher Vergrößerer betrachtet. Das grundlegende Abbildungskonzept und die Strukturen der optischen Mikroskopie sind in Abb. 2 dargestellt. Das optische System eines Mikroskops besteht hauptsächlich aus einem Objektiv und einem Okular. Der Zweck eines Objektivs ist es, ein Objekt zu vergrößern, damit es vom Benutzer klar beobachtet werden kann. Während der Beobachtung wird die Probe in der Nähe der Brennebene des Objektivs im Objektraum platziert, und ein vergrößertes reelles Bild der Probe wird zuerst auf der Zwischenbildebene erzeugt. Die Zwischenbildebene befindet sich auf der Brennebene des Okulars, sodass das Okular als Vergrößerer fungiert, um das auf der Zwischenbildebene projizierte Bild weiter zu vergrößern. Schließlich wird dem Beobachter ein vergrößertes, virtuelles, umgekehrtes Bild bereitgestellt.

Auflösungsvermögen

Die Fähigkeit eines optischen Mikroskops, trennbare Bilder verschiedener Punkte auf einem Objekt zu erzeugen, ist begrenzt. Die Auflösungskraft einer Linse ist ein quantitatives Maß für diese Fähigkeit. Punkte, die näher beieinander liegen als die Auflösungsgrenze, können nicht als getrennte Punkte unterschieden werden. Ernst Abbe legte 1873 erstmals den Wert des minimalen Abstands d zwischen zwei benachbarten Punkten fest, der es erlaubt, sie als getrennt wahrzunehmen, durch die Gleichung „d = λ/2n sin A“, wobei „λ“ die Wellenlänge des Lichts, „A“ der halbe Öffnungswinkel der Linse und „n“ der Brechungsindex des Mediums zwischen Objekt und Linse ist.

Derzeit wird die kleinste lineare Trennung zweier Objektpunkte, bei der sie durch ein Objektiv aufgelöst werden können, durch das Rayleigh-Kriterium festgelegt, gegeben durch die Gleichung „d = 1,22(λ/2NA)“, wobei „λ“ die Wellenlänge des Lichts und „NA“ die numerische Apertur des Objektivs ist. Sowohl das Abbe-Kriterium als auch das Rayleigh-Kriterium sind sehr ähnlich, da die numerische Apertur über NA = n sin A mit dem Abbildungsmedium verknüpft ist. Der Maximalwert von sin A ist 1 (A = 90 Grad), daher beträgt die theoretisch maximale numerische Apertur eines Objektivs in Luft (n = 1) NA = 1. Da eine hohe NA eine wesentliche Voraussetzung für hohe Auflösung ist, wurde die Immersionsoptik entwickelt. Proben können in sehr kurzer Distanz zum Objektiv durch Immersionsmedien mit unterschiedlichen Brechungsindizes abgebildet werden, wie Wasser (n = 1,33), Glycerin (n = 1,47) oder Öl (n = 1,52).

Bei einem gut konstruierten Mikroskop wird die räumliche Auflösung hauptsächlich durch das Objektiv bestimmt. Obwohl ein Okular das Bild ebenfalls vergrößern kann, kann es die Auflösungskraft des Mikroskops nicht verbessern. Die räumliche Auflösung eines optischen Mikroskops wird durch die Rayleigh-Gleichung Ro = 0,62 λ/n sin A gegeben, wobei „Ro“ die minimal auflösbare Distanz, „λ“ die Wellenlänge des Lichts, „n“ der Brechungsindex des Mediums zwischen Linse und Objekt und „A“ der halbe Öffnungswinkel der Linse ist, und n sin A die numerische Apertur des Objektivs.

Basierend auf der obigen Gleichung und unter Berücksichtigung der praktischen Einschränkungen – (i) Verwendung von sichtbarem Licht mit Wellenlängen zwischen 390 nm und 760 nm, (ii) maximal erreichbare Apertur mit einem Halbwinkel von 70° bis 75°, und (iii) die Notwendigkeit, Immersionsmethoden mit Wasser oder Öl zur Erhöhung des Brechungsindex zu verwenden – kann die Auflösung eines konventionellen optischen Mikroskops 200 nm nicht überschreiten.

Das optische Mikroskop und der vereinfachte optische Wellenleiter des Mikroskops sind in Abb. 3 dargestellt. Das moderne optische Mikroskop kann ein Objekt um das 1.500-fache vergrößern mit der 200 nm Grenze in der räumlichen Auflösung. Optische Mikroskope können in viele verschiedene Typen unterteilt werden, wobei eine Vielzahl von Kriterien verwendet wird. Zum Beispiel, basierend auf der Beleuchtungsmethode, gibt es Durchlicht- und Auflichtmikroskope. Bei einem Durchlichtmikroskop durchdringt das Licht transparente Objekte. Bei einem Auflichtmikroskop beleuchtet die auf dem mikroskopischen Objektiv installierte Lichtquelle undurchsichtige Objekte, und das reflektierte Licht wird vom Objektiv gesammelt. Die Mikroskope können auch basierend auf den Beobachtungsmethoden unterschieden werden, einschließlich Hellfeldmikroskope, Dunkelfeldmikroskope, Phasenkontrastmikroskope, Polarisationsmikroskope, Interferenzmikroskope und Fluoreszenzmikroskope.

Jedes Mikroskop kann entweder den Durchlicht- oder Auflichtansatz verwenden. Hellfeldmikroskope sind die beliebtesten und am weitesten verbreiteten aller Mikroskope. Bei dieser Art von Mikroskop variieren der Transmissions- (oder Absorptions-) Koeffizient und der Reflexionskoeffizient einiger beobachteter Objekte gemäß der Änderung der Arbeitsumgebungen. Die Amplitude dieser Objekte variiert mit der Änderung der Beleuchtungsintensität. Farblose transparente Objekte sind nur sichtbar, wenn sich die Phase des beleuchteten Lichts ändert. Da Hellfeldmikroskope die Lichtphase nicht ändern können, sind farblose transparente Proben bei Verwendung dieser Mikroskopart unsichtbar.

Mikroskopkomponenten

Optische Mikroskope variieren erheblich in Kosten und Leistungsfähigkeit. Auflicht wird für die Untersuchung von Metallen verwendet. Durchlichtmikroskope werden zur Untersuchung von Mineralien und Polymeren verwendet, die auch mit Auflicht untersucht werden können. Optische Mikroskope werden auch als „aufrecht“ oder „invertiert“ klassifiziert. Diese Begriffe beziehen sich auf die Orientierung der Polierebene der Probe während der Beobachtung. Da jede Konfiguration bestimmte Vor- und Nachteile hat, basiert die Auswahl auf persönlicher Präferenz. Das einfachste optische Mikroskop ist der Tischtyp (normalerweise aufrecht). Fotografische Fähigkeiten können je nach Steifigkeit des Stativs zu einigen Mikroskopen hinzugefügt werden.

Verschiedene Mikroskoptypen, die für Beobachtung und Photomikroskopie geeignet sind, sind verfügbar. Dies können eher einfache Geräte oder vollwertige Forschungsmikroskope mit verschiedenen Beleuchtungsmodi, Lichtquellen, Mikrohärte-Zubehör, Heiztischen usw. sein. Die grundlegenden Komponenten des optischen Mikroskops sind unten aufgeführt und in Abb. 3 dargestellt.

Beleuchtungssystem

Eine Vielzahl von Lichtquellen für die optische Mikroskopie ist verfügbar. Die Niedervolt-Glühfadenlampe, die hauptsächlich mit Tischmikroskopen verwendet wird, hat ausreichende Intensität für die Beobachtung, aber nicht für die Fotografie. Die Änderung des Stroms zur Birne steuert die Lichtintensität. Kohlebogen-Beleuchtungssysteme, einst an Mikroskopen üblich, wurden durch Bogen- oder Glühfadenlichtquellen ersetzt. Die Xenonbogen-Lichtquelle ist aufgrund ihrer hohen Intensität und Tageslicht-Farbcharakteristiken vorherrschend. Die Lichtintensität kann jedoch nur durch den Einsatz von Graufiltern angepasst werden. Wolfram-Halogen-Glühfadenlampen werden ebenfalls weit verbreitet wegen ihrer hohen Intensität und hohen Farbtemperatur verwendet. Die Lichtintensität kann durch Variation des Stroms oder durch Graufilter gesteuert werden. Andere Lichtquellen wie Zirkoniumbogen, Natriumbogen, Quarz-Jod oder Quecksilberdampflampen sind weniger verbreitet.

Kondensor

Eine einstellbare Linse, frei von sphärischer Aberration und Koma, wird vor der Lichtquelle platziert, um das Licht an der gewünschten Stelle im optischen Strahlengang zu fokussieren. Ein Blendenblende wird vor dieser Linse platziert, um interne Blendung und Reflexionen im Mikroskop zu minimieren. Die Blendenblende wird bis zum Rand des Sichtfelds geschlossen. Eine zweite einstellbare Irisblende, die Aperturblende, wird in den Lichtstrahlengang vor dem vertikalen Beleuchter platziert.

Das Öffnen oder Schließen dieser Blende ändert die Lichtmenge und den Winkel des Lichtkegels, der in das Objektiv eintritt. Die optimale Einstellung für diese Apertur variiert mit jedem Objektiv und ist ein Kompromiss zwischen Bildkontrast, Schärfentiefe und Schärfe. Mit zunehmender Vergrößerung wird die Aperturblende geschlossen. Das Öffnen dieser Blende erhöht die Bildschärfe, verringert aber den Kontrast. Das Schließen der Blende erhöht den Kontrast, beeinträchtigt aber die Bildschärfe. Die Aperturblende darf nicht zur Reduzierung der Lichtintensität verwendet werden. Sie soll nur für Kontrast und Schärfe justiert werden.

Lichtfilter

Diese werden verwendet, um das Licht für eine einfachere Beobachtung, für verbesserte Photomikroskopie oder zur Kontraständerung zu modifizieren. Graufilter werden verwendet, um die Lichtintensität gleichmäßig über das sichtbare Spektrum zu reduzieren. Verschiedene Graufilter mit etwa 85 % bis 0,01 % Transmission sind verfügbar. Die meisten optischen Mikroskope verfügen über eine Auswahl von mindestens zwei solchen Filtern.

Selektive Filter werden verwendet, um die Farbtemperatur der Lichtquelle an die des Films anzupassen. Dies ist häufig notwendig für die getreue Wiedergabe von Farbbildern, abhängig von der verwendeten Lichtquelle und dem Filmtyp. Ein grüner oder gelb-grüner Filter wird in der Schwarz-Weiß-Fotografie weit verbreitet verwendet, um den Effekt von Linsenfehlern auf die Bildqualität zu reduzieren. Die meisten Objektive, insbesondere die preiswerteren Achromate, benötigen eine solche Filterung für gute Ergebnisse.

Polysationsfilter werden verwendet, um ebene polarisiertes Licht (ein Filter) oder gekreuztes polarisiertes Licht (zwei Filter, gedreht zur Erzeugung von Erlöschen) für die Untersuchung von nicht-kubischen (kristallographischen) Materialien zu erzeugen. Optisch anisotrope Materialien wie Beryllium, Zirconium, Alpha-Titan und Uran können im gekreuzten polarisierten Zustand ohne Ätzen untersucht werden. Eine empfindliche Tintenplatte kann auch mit gekreuztem polarisiertem Licht verwendet werden, um die Farbgebung zu verstärken.

Das Objektiv

Es bildet das Primärbild der Mikrostruktur und ist die wichtigste Komponente des optischen Mikroskops. Das Objektiv sammelt so viel Licht wie möglich von der Probe und kombiniert dieses Licht, um das Bild zu erzeugen. Die NA des Objektivs ist ein Maß für die Lichtsammelfähigkeit der Linse. Die Lichtsammelfähigkeit nimmt mit dem Winkel „A“ zu. Die Einstellung der Aperturblende ändert die NA des Kondensors und damit die NA des Systems.

Objektive (Abb. 4) sind normalerweise auf einem Revolver montiert, der vier bis sechs Objektive aufnehmen kann. Einige Mikroskope verwenden keine Revolver, und jeweils nur ein Objektiv kann über eine Bajonettfassung auf dem vertikalen Beleuchter platziert werden. Der vertikale Beleuchter enthält einen Reflektor oder Prisma, das das Licht zum Objektiv und zur Probenoberfläche ablenkt. Er hält normalerweise auch die Apertur- und Feldblenden sowie Filter. Der vertikale Beleuchter bietet normalerweise nur ein oder zwei Beleuchtungstypen, wie Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung oder Hellfeld- und Polarisationsbeleuchtung. Universelle vertikale Beleuchter sind jedoch jetzt verfügbar, die alle Beleuchtungstypen mit einem vertikalen Beleuchter und einem Satz Objektive bieten.

Die Tubuslänge ist die Länge des Tubus von der Augenlinie des Okulars bis zum Objektivgewinde. Diese Länge ist nicht standardisiert und kann variieren. Die meisten Objektive sind für die Verwendung mit einer bestimmten Tubuslänge ausgelegt, normalerweise 160 mm bis 250 mm, und können normalerweise nicht ausgetauscht werden.

Das am häufigsten verwendete Objektiv ist der Achromat, der sphärisch für eine Farbe (normalerweise gelb-grün) und für longitudinale chromatische Aberration für zwei Farben (normalerweise rot und grün) korrigiert ist. Daher sind Achromate nicht für Farbphotomikroskopie geeignet. Die Verwendung eines gelb-grünen Filters und orthochromatischer Filme liefert optimale Ergebnisse. Achromate bieten jedoch eine relativ lange Arbeitsdistanz, also den Abstand von der Vorderlinse des Objektivs zur Probenoberfläche. Die Arbeitsdistanz nimmt mit zunehmender Vergrößerung des Objektivs ab. Die meisten Hersteller fertigen langarbeitsdistanz-Objektive für spezielle Anwendungen, z. B. in der Heiztischmikroskopie. Achromate sind spannungsfrei, was für polarisierte Lichtuntersuchungen wichtig ist. Da sie weniger Linsen enthalten als andere höher korrigierte Linsen, werden interne Reflexionsverluste minimiert.

Halb-Apochromate oder Fluorit-Objektive bieten einen höheren Korrekturgrad für sphärische und chromatische Aberration. Daher erzeugen sie qualitativ hochwertigere Bilder als Achromate. Apochromatische Objektive haben den höchsten Korrekturgrad, liefern die besten Ergebnisse und sind teurer. Plan-Objektive haben eine umfangreiche Korrektur für Ebenheit des Bildfeldes, was die Augenbelastung reduziert, und sind häufig an modernen Mikroskopen zu finden.

Bei parfokalen Linsensystemen ist jedes Objektiv auf dem Revolver nahezu scharf, wenn der Revolver gedreht wird, was verhindert, dass die Vorderlinse des Objektivs die Probe trifft, wenn die Linsen gewechselt werden. Viele Objektive sind auch federnd gelagert, was Schäden an der Linse verhindert. Dies ist besonders bei hochvergrößernden Objektiven ein Problem, da die Arbeitsdistanz sehr klein sein kann.

Bestimmte Objektive sind für die Verwendung mit Öl zwischen der Probe und der Vorderlinse des Objektivs ausgelegt. Ölimmersionsobjektive werden jedoch selten verwendet, da Probe und Linse nach der Verwendung gereinigt werden müssen. Sie bieten jedoch höhere Auflösungen als bei Luft zwischen Linse und Probe. Im letzteren Fall beträgt die maximal mögliche NA 0,95, während Ölimmersionsobjektive eine NA von 1,3 bis 1,45 erzeugen, abhängig von der Linse und dem verwendeten Öl. Vergrößerungen von 25× bis 160× sind verfügbar. Die Verwendung von Öl schärft auch das Bild, was wertvoll ist bei der Untersuchung von Proben mit geringer Reflexion, wie Kohle oder Keramik.

Okular

Es wird auch als Okularlinse bezeichnet. Das Okular (Abb. 4) vergrößert das vom Objektiv erzeugte Primärbild. Das Auge kann dann die volle Auflösungsfähigkeit des Objektivs nutzen. Das Mikroskop erzeugt ein virtuelles Bild der Probe am Punkt der deutlichsten Sicht, normalerweise 250 mm vom Auge entfernt. Das Okular vergrößert dieses Bild, was das Erreichen nützlicher Vergrößerungen ermöglicht. Das Standardokular hat ein 24 mm großes Sichtfeld, während Weitwinkelokulare für Plan-Objektive ein 30 mm großes Sichtfeld haben, was den nutzbaren Bereich des Primärbildes erhöht.

Das einfachste Okular ist das Huygens-Okular, dessen Design von C. Huygens erfunden wurde. Es besteht aus zwei plan-konvexen Linsen mit ihren konvexen Flächen zum Objektiv hin. Es ist für die Verwendung mit nieder- und mittelstarken Achromat-Objektiven zufriedenstellend. Kompensationsokulare werden mit hoch-NA-Achromaten und den höher korrigierten Objektiven verwendet. Da einige Linskorrekturen mit diesen Okularen durchgeführt werden, muss das Okular mit dem verwendeten Objektivtyp abgestimmt sein.

Der Augenabstand ist der Abstand zwischen der Augenlinse des Okulars und dem Auge. Bei den meisten Okularen beträgt der Augenabstand 10 mm oder weniger, was unzureichend ist, wenn die Person, die das Mikroskop benutzt, eine Brille trägt. Einfache Sehprobleme wie Kurzsichtigkeit können über die Feinfokuseinstellung kompensiert werden. Sehprobleme wie Astigmatismus können nicht durch das Mikroskop korrigiert werden, und eine Brille muss getragen werden. High-Eye-Point-Okulare sind verfügbar, um den Augenabstand von etwa 20 mm zu bieten, der für Brillen notwendig ist.

Okulare sind normalerweise mit verschiedenen Retikeln oder Mikrometern zur Lokalisierung, Messung, Zählung oder zum Vergleich von Mikrostrukturen ausgestattet. Das Okular vergrößert das Retikel- oder Mikrometerbild und das Primärbild. Beide Bilder müssen gleichzeitig scharf sein. Spezielle Okulare werden auch hergestellt, um genauere Messungen als mit einer Mikrometerskala zu ermöglichen. Beispiele sind das Filar-Mikrometer-Okular oder Schrauben-Mikrometer-Okular. Solche Geräte können automatisiert werden, um eine direkte digitale Anzeige der Messung zu erzeugen, die auf etwa 1 Mikrometer genau ist.

Ein 10×-Vergrößerungsokular wird normalerweise verwendet, jedoch benötigen einige Systeme zur Erreichung Standardvergrößerungen andere Vergrößerungen, wie 6,3×. Höhervergrößernde Okulare wie 12,5×, 15×, 20× oder 25× sind in bestimmten Situationen ebenfalls nützlich. Die Gesamtvergrößerung ergibt sich durch Multiplikation der Objektivvergrößerung Mo mit der Okularvergrößerung Me (Abb. 2). Wenn ein Zoomsystem oder Balgen verwendet wird, muss die Vergrößerung entsprechend angepasst werden.

Tisch

Ein mechanischer Tisch wird für das Fokussieren und Bewegen der Probe bereitgestellt, die auf dem Tisch platziert und mit Klemmen gesichert wird. Der Tisch eines invertierten Mikroskops hat austauschbare Mitteltischplatten mit unterschiedlich großen Löchern. Die polierte Oberfläche wird zum Betrachten an das Loch angelegt. Allerdings kann die gesamte Oberfläche nicht betrachtet werden, und bei hohen Vergrößerungen ist es möglicherweise nicht möglich, das Objektiv in der Nähe des Lochrandes zu fokussieren, aufgrund der eingeschränkten Arbeitsdistanz. Beim aufrechten Mikroskop wird die Probe auf einem Objektträger auf dem Tisch platziert. Da die polierte Oberfläche senkrecht zum Lichtstrahl sein muss, wird Knetmasse zwischen Probenunterseite und Objektträger gelegt. Ein Stück Linsenpapier wird auf die polierte Oberfläche gelegt, und die Probe wird mit einer Nivellierpresse in die Knetmasse gedrückt. Allerdings können Papierteile an der Probenoberfläche haften. Eine Alternative, besonders nützlich bei eingebetteten Proben, ist die Verwendung eines Rings statt Gewebes, um die Probe zu nivellieren. Aluminium- oder Edelstahlringe in der gleichen Größe wie die Einbettungen (leicht in einer Zange abgeflacht) sitzen auf der Einbettung statt auf der Probe.

Das aufrechte Mikroskop ermöglicht die Betrachtung der gesamten Oberfläche mit jedem Objektiv, und der Bediener kann sehen, welcher Bereich der Probe betrachtet wird. Dies ist eine nützliche Funktion bei der Untersuchung spezifischer Bereiche an beschichteten Proben, Schweißnähten und anderen Proben, wo spezifische Bereiche untersucht werden sollen. Für eingebettete Proben kann ein automatischer Nivellier-Tischhalter für Einbettungen das Nivellieren von Proben auf Knetmasse überflüssig machen.

Der Tisch muss starr sein, um Vibrationen zu eliminieren. Die Tischbewegung, gesteuert durch x- und y-Mikrometer, muss glatt und präzise sein, daher wird normalerweise Zahnstangen- und Ritzelgetriebe verwendet. Viele Tische haben Skalen zur Messung der Distanzen in x- und y-Richtung. Die Fokussiersteuerelemente enthalten häufig Skalen zur Schätzung der vertikalen Bewegung. Einige Geräte haben motorisierte Tische und Fokussiersteuerungen.

Eine kreisförmig drehbare Tischplatte kann die polarisierte Lichtuntersuchung erleichtern. Solche Tische, üblich für mineralogische oder petrographische Studien, sind graduiert, um den Drehwinkel zu messen. Ein rechtwinkliger Tisch wird normalerweise auf den kreisförmigen Tisch gelegt.

Stativ

Tischmikroskope benötigen ein stabiles Stativ, insbesondere wenn Photomikroskopie am Gerät durchgeführt wird. Die verschiedenen Teile des Mikroskops werden beim Zusammenbau am Stativ befestigt. In einigen Fällen wird das Tischmikroskop auf ein separates Stativ gestellt, das auch das fotografische System hält.

Linsenfehler

Viele Linsenfehler resultieren aus den Reflexions- und Brechungsgesetzen. Der Brechungsindex einer Linse variiert mit der Wellenlänge des Lichts, und die Brennweite der Linse variiert mit dem Brechungsindex. Daher ändert sich die Brennweite für verschiedene Lichtfarben. Ein separates Bild für jede vorhandene Wellenlänge wird an unterschiedlichen Entfernungen von der Linse fokussiert. Dies ist longitudinale chromatische Aberration (Abb. 5). Zudem variiert die Vergrößerung mit der Brennweite, was die Bildgröße ändert. Dies ist laterale chromatische Aberration (Abb. 5). Diese Unterschiede müssen beseitigt werden, um Farbfotos zu erzeugen. Da Achromate nur begrenzte Korrekturen für diese Probleme haben, müssen sie mit gelb-grüner Lichtfilterung verwendet werden, um scharfe Bilder zu erhalten. Sphärische Aberration (Abb. 5) tritt auf, wenn Licht von einem Punktobjekt auf der optischen Achse im Zentrum oder am Rand der Linse stärker gebrochen wird, was eine Reihe von Brennpositionen erzeugt, in denen das Punktbild als Kreis endlicher Fläche erscheint. Dies kann durch Verwendung einer Blende minimiert werden, die die Verwendung des Objektivs auf den zentralen Bereich beschränkt. Das Linsendesign kann auch einen Teil dieses Problems korrigieren.

Da die Bildfläche des optimalen Fokus gekrümmt ist, werden Kompensationsokulare mit gleicher, aber entgegengesetzter Krümmung verwendet, um ein flaches Bild zu erzeugen. Andere Probleme wie Koma und Astigmatismus können die Bildqualität beeinträchtigen, es sei denn, sie werden korrigiert.

Auflösung

Um mikrostrukturelle Details zu sehen, muss das optische System eine ausreichende Auflösung (Auflösungsvermögen) und einen ausreichenden Bildkontrast erzeugen. Wenn die Auflösung akzeptabel ist, aber der Kontrast fehlt, können Details nicht beobachtet werden. Im Allgemeinen ist die Fähigkeit, zwei Punkte oder Linien, die durch eine Distanz „d“ getrennt sind, aufzulösen, eine Funktion der Wellenlänge „λ“ des einfallenden Lichts und der numerischen Apertur NA des Objektivs. Dies folgt der Gleichung „d = k·λ / NA“, wobei k 0,5 oder 0,61 beträgt. Abb. 6 zeigt diesen Zusammenhang für k = 0,61 und vier Lichtwellenlängen. Andere Formeln wurden ebenfalls berichtet. Die Gleichung berücksichtigt nicht andere Faktoren, die die Auflösung beeinflussen, wie den Korrekturgrad der Objektive und die Sehschärfe der Person, die durch das Mikroskop blickt. Sie basiert auf Abbes Arbeit unter Bedingungen, die in der Metallographie nicht vorliegen, wie selbstleuchtende Punkte, perfekter Schwarz-Weiß-Kontrast, Durchlichtuntersuchung, ideale Punktlichtquelle und Abwesenheit von Linsenfehlern.

Mit der Gleichung aus dem vorherigen Absatz beträgt die Auflösungsgrenze für ein Objektiv mit einer NA von 1,4 etwa 0,2 Mikrometer. Um Linien oder Punkte mit 0,2 Mikrometer Abstand zu sehen, muss die erforderliche Vergrößerung durch Division der Auflösungsfähigkeit des Objektivs durch die des menschlichen Auges bestimmt werden, was unter Beobachtungsbedingungen schwer zu bestimmen ist. Abbe verwendete einen Wert von 0,3 mm bei einer Distanz von 250 mm, was der Abstand vom Auge für optimales Sehen ist. Für Licht mit einer mittleren Wellenlänge von 0,55 Mikrometern beträgt die benötigte Vergrößerung das 1.100-fache der NA des Objektivs. Dies ist der Ursprung der 1.000-NA-Regel für die maximale nützliche Vergrößerung. Jede Vergrößerung über 1.000 NA wird als „leer“ oder nutzlos bezeichnet.

Die strikte Einhaltung der 1.000-NA-Regel ist zu hinterfragen, wenn man die Bedingungen betrachtet, unter denen sie entwickelt wurde, die sicherlich weit von denen in der Metallographie entfernt sind. Laut Abbe-Analyse beträgt für eine Person, die ein optisches Mikroskop mit optimaler 20/20-Sehkraft und optimalen Kontrastbedingungen sowie einer mittleren Lichtwellenlänge von 550 nm verwendet, die niedrigste Vergrößerung, die die NA des Objektivs voll ausnutzt, das 550-fache der NA. Dies legt eine nützliche Mindestvergrößerung fest, die mit einem gegebenen Objektiv verwendet werden sollte. Es wurde vorgeschlagen, dass die obere Grenze der nützlichen Vergrößerung für die durchschnittliche Person, die ein optisches Mikroskop verwendet, 2.200 NA beträgt, nicht 1.000 NA.

Schärfentiefe

Die Schärfentiefe ist die Distanz entlang der optischen Achse, über die Bilddetails mit akzeptabler Klarheit beobachtet werden. Die Faktoren, die die Auflösung beeinflussen, wirken sich auch auf die Schärfentiefe aus, aber in entgegengesetzter Richtung. Daher muss ein Kompromiss zwischen diesen beiden Parametern gefunden werden, der mit zunehmender Vergrößerung schwieriger wird. Dies ist ein Grund, warum schwaches Ätzen für hochvergrößernde Untersuchungen bevorzugt wird.

Untersuchungsmodi

Um die Auflösungsfähigkeit des gewählten Objektivs zu erreichen, muss der Bildkontrast ausreichend sein. Der Bildkontrast hängt von der Probenpräparation und der Optik ab. Unterschiede in der Lichtreflexion von der Probenoberfläche erzeugen Amplitudenmerkmale, die nach Vergrößerung für das Auge sichtbar sind. Phasendifferenzen, die durch Lichtreflexion entstehen, müssen durch den Einsatz von Phasenkontrast- oder Interferenzkontrast-Zubehör am Mikroskop sichtbar gemacht werden.

Hellfeldbeleuchtung

Hellfeld-Auflichtbeleuchtung, die am weitesten verbreitete Beobachtungsmethode, macht den Großteil der aufgenommenen Mikrographen aus. Im Betrieb durchläuft das Licht das Objektiv und trifft senkrecht auf die Probenoberfläche. Oberflächenmerkmale, die normal zum einfallenden Licht stehen, reflektieren Licht zurück durch das Objektiv zu den Okularen, wo die Oberflächenmerkmale hell erscheinen. Dem Lichtstrahl schräg stehende Oberflächen reflektieren weniger Licht zum Objektiv und erscheinen dunkler, abhängig von ihrem Winkel.

Schräge Beleuchtung

Bei einigen Mikroskopen ist es möglich, die Kondensoranordnung oder den Spiegel zu dezentrieren, sodass das Licht, das durch das Objektiv geht, die Probenoberfläche unter einem nicht-senkrechten Winkel trifft. Rauheit auf der Probenoberfläche wirft Schatten und erzeugt ein dreidimensionales Erscheinungsbild. Dies ermöglicht die Bestimmung von Merkmalen, die erhaben oder vertieft sind. Allerdings kann nur sehr wenig Schrägheit eingeführt werden, da diese Technik die Beleuchtung ungleichmäßig macht und die Auflösung verringert.

Dunkelfeldbeleuchtung

Bei der Dunkelfeldbeleuchtung wird das Licht von schräg orientierten Merkmalen gesammelt, und die Strahlen, die von senkrecht zum einfallenden Strahl stehenden Merkmalen reflektiert werden, werden blockiert. Daher ist der Kontrast im Wesentlichen umgekehrt im Vergleich zur Hellfeldbeleuchtung; das heißt, Merkmale, die im Hellfeld hell erscheinen, erscheinen dunkel, und normalerweise dunkle Merkmale erscheinen hell. Dies erzeugt einen sehr starken Bildkontrast, wobei schräge Merkmale leuchtend erscheinen. Unter solchen Bedingungen ist es häufig möglich, Merkmale zu sehen, die mit Hellfeldbeleuchtung nicht sichtbar sind. Diese Methode ist besonders nützlich für die Untersuchung von Kornstrukturen. Die geringe Lichtintensität macht die Photomikroskopie jedoch schwieriger, ein Problem, das durch den Einsatz von Automatikbelichtungssteuerungen gemildert wird.

Polarisiertes Licht

Polarisiertes Licht, wie es in der Metallographie verwendet wird, war normalerweise auf die Untersuchung bestimmter optisch anisotroper Metalle beschränkt, wie Beryllium, Alpha-Titan, Zirconium und Uran, die schwer zu ätzen sind, aber gut auf polarisiertes Licht reagieren, wenn sie ordnungsgemäß poliert sind. Vor der Entwicklung des Elektronenstrahlmikroanalysators (EMPA) und der energiedispersiven Spektroskopie (EDS) war die polarisierte Lichtuntersuchung ein integraler Bestandteil der Methode zur Identifizierung von Einschlüssen. Seit der Entwicklung dieser Instrumente wurde polarisiertes Licht für diesen Zweck seltener verwendet, da die Identifizierung mit EMPA- oder EDS-Techniken definitiver ist. Die meisten metallurgischen Mikroskope verwenden jetzt synthetische Polaroid-Filter. Der „Polariator“ wird in den Lichtstrahlengang vor das Objektiv platziert, und der „Analysator“ wird in den Lichtstrahlengang nach dem Objektiv platziert, normalerweise direkt unter dem Okular.

Licht besteht aus transversalen Wellen, die in alle Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Diese Schwingungen treten symmetrisch um die Ausbreitungsrichtung auf und sind unpolarisiert. Wenn Licht durch einen Polarisationsfilter geht, schwingen die Schwingungen nur in einer Ebene in Ausbreitungsrichtung, und das Licht wird als eben polarisiert bezeichnet. Diese Ebene ändert sich, wenn der Filter gedreht wird. Wenn der Analysatorfilter in den Lichtstrahlengang platziert wird, passiert eben polarisiertes Licht ihn, wenn die Schwingungsebene des Lichts parallel zur Schwingungsebene des Analysators ist. Wenn die Schwingungsebene des Analysators senkrecht zu der des Lichts steht, passiert das Licht nicht, und Erlöschen tritt auf. Wenn eben polarisiertes Licht von der Oberfläche eines isotropen Metalls (jedes Metall mit kubischer Kristallstruktur, wie Eisen) reflektiert wird, dann durch den Analysator in gekreuzter Position (Schwingungsebene senkrecht zu der des eben polarisierten Lichts) geht, wird das Bild erloschen, also dunkel. In der Praxis erzeugt das metallurgische Mikroskop jedoch nicht perfekt eben polarisiertes Licht, sodass vollständiges Erlöschen nicht eintritt. Dies ist kein ernstes Problem, da polarisiertes Licht in der Metallographie nur qualitativ verwendet wird. Spannungsfreie Objektive, normalerweise Achromate, sind zu verwenden. Fluorit- oder apochromatische Objektive sind ungeeignet. Eine starke Weißlichtquelle wird benötigt, um genaue Farbeffekte zu erzeugen.

Wenn ein optisch anisotropes, poliertes Metall unter den Lichtstrahl mit gekreuztem Polarisator und Analysator platziert wird, wird die Mikrostruktur enthüllt. Die Qualität der Probenpräparation ist sehr wichtig, und die Oberfläche muss senkrecht zum Lichtstrahl stehen. Die Drehung der Probe unter dem Strahl ändert Lichtintensität und Farbe. Da es schwierig ist, den Polarisator und Analysator in der gekreuzten Position genau einzustellen, wenn eine anisotrope Probe platziert ist, es sei denn, die gekreuzten Positionen sind auf dem Polarisator und dem Analysator markiert, ist es am besten, diese Position zuerst mit einer isotropen Probe zu finden.

Wenn eben polarisiertes Licht auf eine anisotrope Metalloberfläche trifft, erfolgt die Reflexion als zwei eben polarisierte Komponenten im rechten Winkel zueinander. Die Richtungen variieren mit der Kristallstruktur. Die Stärke dieser beiden senkrechten Reflexionen kann sich ändern, und ein Phasenunterschied besteht zwischen ihnen. Diese Unterschiede variieren mit jedem Metall und hängen von der Kristallorientierung ab. Keine Reflexion wird erhalten, wenn die Basalebene von hexagonalen oder tetragonalen Kristallen senkrecht zum Lichtstrahl steht. Maximaler Reflexion tritt auf, wenn die Hauptsymmetrieachse des Kristalls senkrecht zum Lichtstrahl steht. Das resultierende Bild wird vorwiegend von diesen Orientierungseffekten beeinflusst, wobei Phasendifferenzen von geringer Bedeutung sind.

Wenn der Analysator bezüglich des Polarisators gekreuzt ist, lässt die Drehung des eben polarisierten Lichts von der anisotropen Oberfläche das Licht durch den Analysator passieren, was ein Bild erzeugt, in dem jedes Korn eine unterschiedliche Lichtintensität und Farbe hat, abhängig von seiner Kristallorientierung relativ zum Lichtstrahl. Während die Tisch gedreht wird, ändert sich jedes Korn viermal in der Intensität von hell zu dunkel während einer 360-Grad-Drehung. Wenn der Phasenunterschied erheblich ist, ist das Licht elliptisch polarisiert, der Intensitätsunterschied in jedem Korn bei Drehung ist geringer, und Erlöschen wird nicht beobachtet. Farbbilder werden erhalten, wenn das reflektierte eben polarisierte Licht mit der Wellenlänge variiert. Wenn wenig Farbe vorhanden ist, kann eine empfindliche Tintenplatte, die zwischen Polarisator und Objektiv eingesetzt wird, die Farbgebung verstärken.

Isotrope Metalle können mit gekreuztem polarisiertem Licht untersucht werden, wenn die Oberfläche durch Ätzen, Färben oder Eloxieren optisch aktiv gemacht werden kann. Verfahren wurden für mehrere Metalle entwickelt, jedoch reagieren nicht alle geätzten Oberflächen auf polarisiertes Licht. Normalerweise muss das Ätzen Ätzgruben oder Facetten in jedem Korn erzeugen, um Doppelreflexion an diesen Merkmalen zu verursachen. Körner mit unterschiedlichen Kristallorientierungen erzeugen unterschiedlich orientierte Gruben oder Facetten, was unterschiedliche Grade elliptischer Polarisation und damit variierende Lichtintensität ergibt. Eloxieren erzeugt einen dicken Oxidfilm auf der Probenoberfläche, und Unregelmäßigkeiten im Film führen zu Doppelreflexion.

Obwohl die Polarisationsreaktion eloxierter Proben der optischen Anisotropie des Films zugeschrieben wurde, hat die Experimentation gezeigt, dass der Effekt auf Filmeinregelmäßigkeiten zurückzuführen ist. Tönende Ätzmittel erzeugen Oberflächenfilme, die Interferenzfarben erzeugen, die durch polarisiertes Licht verstärkt werden können. Im Allgemeinen werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn der Analysator leicht von der gekreuzten Position abgewinkelt ist. Zusätzlich zur Verwendung bei der Untersuchung von Einschlüssen, anisotropen Metallen (Antimon, Beryllium, Bismut, Cadmium, Kobalt, Magnesium, Scandium, Tellur, Zinn, Titan, Uran, Zink und Zirconium, zum Beispiel) und geätzten/eloxierten/tönend geätzten kubischen Metallen, ist polarisiertes Licht nützlich für die Untersuchung von beschichteten oder verformten Metallen. Die Phasenidentifikation kann in einigen Fällen ebenfalls unterstützt werden. Die innere Struktur von Graphitknollen in Gusseisen wird mit polarisiertem Licht lebhaft enthüllt. Martensitische Strukturen werden häufig besser mit polarisiertem Licht enthüllt, das Lamellenmartensit in einer hochfesten Eisenbasislegierung veranschaulicht.

Phasenkontrastbeleuchtung

Sie ermöglicht die Untersuchung subtiler Phasenvariationen in Mikrostrukturen mit wenig oder keinem Amplitudenkontrast aus Unterschieden im optischen Pfad an der Oberfläche (Auflicht) oder aus Unterschieden im optischen Pfad durch die Probe (Durchlicht). Höhenunterschiede von nur 0,005 Mikrometern können detektiert werden. Die Anwendung der Phasenkontrastbeleuchtung in der Metallographie war begrenzt. Die Technik erfordert einen separaten Satz von Objektiven und einen speziellen vertikalen Beleuchter.

Interferenzkontrastbeleuchtung

Differenzielle Interferenzkontrastbeleuchtung erzeugt Bilder mit betonten topografischen Details, ähnlich denen, die mit schräger Beleuchtung beobachtet werden. Details, die mit Hellfeldbeleuchtung unsichtbar oder schwach sichtbar sind, können mit Interferenzkontrastbeleuchtung lebhaft enthüllt werden. Beispiele für topografische Details, die mit differentieller Interferenzkontrastbeleuchtung enthüllt werden können, sind die relative Härte der Bestandteile oder die Art des Ätzprozesses, also welche Bereiche oder Bestandteile vom Ätzmittel angegriffen werden. In einigen Fällen können andere Aspekte der Struktur enthüllt werden, die in Hellfeldbeleuchtung unsichtbar oder schwach sichtbar sind.

Interferenztechniken

Mehrere Interferenztechniken werden verwendet, um Höhenunterschiede an Proben zu messen. Interferenzstreifen auf einer perfekt flachen Oberfläche erscheinen als gerade, parallele Linien gleicher Breite und Abstände. Höhenvariationen lassen diese Streifen gekrümmt oder gezackt erscheinen, abhängig vom verwendeten Gerät. Das Interferenzmikroskop teilt das Licht einer einzelnen Punktquelle in zwei oder mehr Wellen auf, die nach unterschiedlichen Wegen überlagert werden. Dies erzeugt Interferenz. Zwei-Strahlen- und Mehrstrahlinterferometer sind die zwei grundlegenden Arten von Interferometern, die verwendet werden. Die Messungen basieren auf der Wellenlänge des verwendeten Lichts. Zwei-Strahlen-Interferometer können Höhenunterschiede von nur λ/20 messen; Mehrstrahlinterferometer bis zu λ/200.

Der Linnik-Typ-Interferometer ist ein zwei-Strahlen-reflektierendes Mikroskop, das unpolarisiertes Licht verwendet. Ein Strahlteilerprisma erzeugt zwei Lichtstrahlen aus einer monochromatischen Lichtquelle. Ein Strahl durchläuft das Testobjektiv zur Testobjektoberfläche und wird zurück durch das Objektiv zum Okular reflektiert. Der andere Strahl durchläuft das Referenzobjektiv, trifft einen optisch flachen Referenzspiegel und kehrt zum Strahlteiler, dann zum Okular zurück. Wenn der Pfadunterschied zwischen den beiden Strahlen nicht gleich oder nicht ein Vielfaches von λ/2 ist, tritt Interferenz auf, und Konturlinien werden gebildet, die Orte gleicher Erhöhung anzeigen. Der Höhenunterschied zwischen angrenzenden Streifen beträgt λ/2.

Der Tolansky-Mehrstrahlinterferometer erzeugt Interferenz zwischen vielen Lichtstrahlen, indem ein Referenzspiegel, der teilweise durchlässig und teilweise reflektierend ist, sehr nah an die Probenoberfläche, aber leicht aus der Parallelen, platziert wird. Der Referenzspiegel hat eine bekannte Reflektivität, die der der Oberfläche angenähert wird. Licht durchläuft den Referenzspiegel und trifft die Probenoberfläche, wird von der Probenoberfläche reflektiert und interferiert mit den Strahlen, die zwischen Referenzspiegel und Probe reflektiert werden. Die vom Mehrstrahlinterferometer erzeugten Streifen sind schärfer als die des Zwei-Strahl-Interferometers, was die größere Genauigkeit erklärt. Der Abstand zwischen den Streifen beträgt ebenfalls λ/2. Erhöhungen verursachen Verschiebungen der Streifen von der parallelen Ausrichtung. Die Verschiebung wird mit dem Abstand zwischen den Streifen verglichen, um Höhenmessungen zu erhalten.

Lichtschnittmikroskopie

Das Lichtschnittmikroskop, auch zur Messung der Oberflächentopographie verwendet, ergänzt Interferenztechniken. Rauheitsunterschiede von 1 Mikrometer bis 400 Mikrometern können gemessen werden, was nützlich ist bei der Untersuchung bearbeiteter Oberflächen und zur Messung von Oberflächenschichten oder -filmen. Im Betrieb wird eine Spalte in der Nähe der Feldblende im Beleuchtungssystem platziert und als Lichtlinie auf die zu messende Oberfläche durch ein Objektiv abgebildet. Schräge Beleuchtung wird mit dunklem Hintergrund verwendet. Das Lichtband wird mit einem zweiten Objektiv beobachtet, das identisch zum ersten ist. Die Objektive stehen im 45-Grad-Winkel zur Probenoberfläche und 90 Grad zueinander. Ein Retikel im Okular wird für Messungen verwendet, oder sie werden an Fotografien vorgenommen. Die vertikale Auflösung ist nicht so gut wie bei Interferometern, aber die laterale Auflösung ist besser.

Hilfstechniken

Mehrere spezielle Geräte können mit dem optischen Mikroskop verwendet werden, um zusätzliche Informationen zu erhalten. Diese Techniken werden unten beschrieben.

Mikrohärteprüfung

Mikroeindringhärte-Daten können durch Hinzufügen von Eindringaufsätzen zum Mikroskop erhalten werden. Spezialgeräte werden auch von vielen Herstellern von Härteprüfgeräten hergestellt. Lasten werden normalerweise von 1 g (Gramm) bis 1.000 g hergestellt, obwohl einige Hersteller Geräte für niedrige Lasten (0,05 g bis 200 g) haben. Knoop- oder Vickers-Eindringkörper können verwendet werden.

Heiztischmikroskopie

Heiztisch-Mikroskopzellen sind von mehreren Herstellern erhältlich. Spezialgeräte können auch verwendet werden. Kaltzellen-Aufsätze wurden ebenfalls hergestellt, haben aber in der Metallographie eher begrenzte Verwendung. Der Heiztischmikroskop wurde verwendet, um Phasenumwandlungen beim Erhitzen oder Abkühlen oder bei konstanter Temperatur zu untersuchen. Die Untersuchung von Reaktionen in der Heiztischmikroskopzelle erfordert die Verwendung von langarbeitsdistanz-Objektiven, da die Probe innerhalb der Zelle gehalten wird. Zudem muss das Objektiv quarzkorrigiert sein, da das Zellenfenster aus Quarz besteht, insbesondere bei Vergrößerungen von 20× oder mehr.

Andere Techniken als chemisches Ätzen müssen verwendet werden, um Phasenänderungen zu betrachten. Kornkanten sollen thermisch geätzt werden, wenn die Probe bei konstanter Temperatur im Vakuum gehalten wird. Kornkantenriefenbildung ist mit Hellfeldbeleuchtung leicht zu beobachten. Phasenumwandlungen sind durch die an der Oberfläche erzeugte Relief sichtbar. Daher werden Scherreaktionen, wie sie durch Martensit- oder Bainitbildung entstehen, am leichtesten beobachtet. Andere Phasenumwandlungen sind schwieriger oder unmöglich zu beobachten. Transformationen können in situ fotografiert werden, wofür normalerweise Filmkameras verwendet werden.

Spezialtische

Diese sind in einer Vielzahl von Konfigurationen erhältlich. Autonivellierende Tische für eingebettete Proben sind ein typisches Beispiel. Universelle Kippstufen wurden ebenfalls für die schnelle Manipulation rauer, unregelmäßiger Proben hergestellt. Spezialtische wurden auch für den Umgang mit kleinen Objekten entwickelt. Eine Reihe von Tischen wurde für die Durchführung von In-situ-Experimenten hergestellt. Grundlagenstudien zur Erstarrung wurden durch In-situ-Beobachtung des Gefrierens von niedrigschmelzenden organischen Materialien wie Camphen durchgeführt, die wie Metalle erstarren. Die Rekristallisation von niedrigschmelzenden Metallen und Legierungen wurde ähnlich beobachtet. Spezialtische wurden verwendet, um den Fortschritt von elektrolytischem Polieren und Ätzen zu beobachten. Zellen wurden auch für die In-situ-Untersuchung von Korrosionsprozessen verwendet. Stufen wurden entwickelt, um eine Vielzahl von Prozessen mit statischer oder dynamischer Spannung zu beobachten, und Geräte wurden auch entwickelt, um die physikalische Extraktion von Einschlüssen zu ermöglichen.

Heißzellenmikroskopie

Die metallographische Präparation radioaktiver Materialien erfordert Fernsteuerungspräparation mit speziell entwickelten Heißzellen. Spezielle Mikroskope wurden für die Verwendung mit der Heißzelle entwickelt.

Feldmikroskopie

Wenn die Mikrostruktur eines Bauteils oder großen Objekts, das nicht geschnitten und ins Labor gebracht werden kann, untersucht werden soll, kann tragbares Laborequipment, das von mehreren Herstellern hergestellt wird, verwendet werden, um einen Abschnitt in situ zu polieren. Ein tragbares Mikroskop kann manchmal verwendet werden, um die Mikrostruktur zu untersuchen und zu fotografieren. Wenn dies nicht möglich ist, können Replikate hergestellt und mit einem optischen Mikroskop oder einem Elektronenmikroskop untersucht werden.

Vergleichsmikroskope

Gelegentlich entsteht die Notwendigkeit, zwei Mikrostrukturen zu vergleichen. Normalerweise wird dies durchgeführt, indem Mikrographen von jeder Probe nebeneinander platziert werden, aber es kann auch mit speziellen Mikroskopen durchgeführt werden. Ein Brückenkomparator wird verwendet, um Bilder von zwei Tischmikroskopen für gleichzeitiges Betrachten zu kombinieren.

Fernseher

Projektionsmikroskope können für Gruppenbetrachtung verwendet werden, aber es ist üblicher, die Mikrostruktur auf einem Schwarz-Weiß- oder Farbmonitor anzuzeigen. Eine Reihe von hochauflösenden Closed-Circuit-Systemen ist verfügbar.

Reinraummikroskopie

Die Untersuchung kleiner Partikel wird durch Staubkontamination während der Betrachtung beeinflusst. Daher muss diese Arbeit in einer Reinbox, Reinbank oder Reinraum durchgeführt werden, der speziell dafür gemacht ist, eine staubfreie Umgebung zu bieten.

Bildanalysatoren

Die zunehmende Verwendung quantitativer Metallographie, insbesondere zur Charakterisierung von Einschlüssen, hat die Entwicklung automatisierter Bildanalysesysteme auf Fernsehbasis gefördert. Phasen oder Bestandteile von Interesse werden hauptsächlich durch Unterschiede in der Lichtreflexion detektiert, die Graustufenunterschiede auf dem Monitor erzeugen. Die meisten stereologischen Messungen können mit diesen Systemen durchgeführt werden. Beträchtliche Automatisierung wurde durch automatisierte Tische und leistungsstarke Minicomputer erreicht. Obwohl diese Geräte recht teuer sein können, haben sie das Interesse an Stereologie und ihrer Anwendung auf Struktur-Eigenschafts-Korrelationen angeregt.

Merkmale werden auf ungestörten oder geätzten Proben detektiert, abhängig von der Art des interessierenden Merkmals. Wenn Ätzen erforderlich ist, werden normalerweise selektive Techniken verwendet. Feld- und merkmalsspezifische Messungen werden genutzt. Feldmessungen messen alle detektierten Merkmale gleichzeitig, wie bei Volumenbruchmessungen. Bei merkmalsspezifischen Messungen wird jedes separate Partikel sequenziell gemessen. Dieses Verfahren wird normalerweise für Form- und Größenmessungen verwendet.

Einige Strukturen eignen sich nicht für genaue Messungen mit solchen Systemen. Zum Beispiel kann die Quantifizierung von Bruchflächen-Details nicht mit einem automatischen Bildanalysator durchgeführt werden, da das Gerät Bruchmerkmale nicht nach Graustufe trennen kann. Viele Transmissionelektronenmikroskop-Strukturen können ebenfalls nicht mit diesen Geräten analysiert werden. Für solche Strukturen können halbautomatische Nachführgeräte mit dem Bediener verwendet werden, der die Detektion mit einem Lichtstift oder Stift durchführt. Diese kostengünstigeren Systeme können für fast jede stereologische Messung verwendet werden. Aufgrund der größeren für die Detektion benötigten Zeit sind sie weniger geeignet für Messprobleme, die das Sampling vieler Felder erfordern.

Photomikroskopie

Vor der Entwicklung fotografischer Aufsätze mussten Mikrostrukturen skizziert werden. Obwohl der Bedarf an solcher Dokumentation nicht mehr besteht, bleibt das Skizzieren als Lehrmethode nützlich. Photomikroskopie ist in der Metallographie wichtig, da das Photomikrograph die beobachteten Details getreu für andere reproduzieren kann. Mit der derzeit verfügbaren Ausrüstung lassen sich hochwertige Mikrographen leicht erstellen. Dies erfordert jedoch sorgfältige Aufmerksamkeit auf Probenpräparation, Ätzen und die Verwendung des Mikroskops. Die Reproduktion falscher Mikrostrukturen ist allzu häufig und hat zu ungenauen Interpretationen, Ablehnung guter Materialien und fehlerhaften Schlussfolgerungen in Schadensanalysen geführt.

Historisch gesehen waren Dunkelkammer-Fotoverfahren am weitesten verbreitet. Seit der Einführung von Sofortfotoverfahren wie Polaroid wurden jedoch viele Photomikrographen mit diesen Materialien erstellt, wobei deren Geschwindigkeit und Effizienz genutzt wurden. Allerdings wird die Bildwiedergabe geopfert, und der Prozess muss für jede zusätzliche Kopie wiederholt werden. Die Verwendung eines Automatikbelichtungsgeräts ist bei Sofortprozessfilm notwendig, um Verschwendung zu minimieren. Traditionelle Dunkelkammer-Fotomethoden erfordern mehr Aufwand, liefern aber bessere Mikrographen. Erhebliche Automatisierung in nassen Dunkelkammerprozessen ist möglich, aber häufige Verwendung von Photomikroskopie ist erforderlich, um die Kosten für solche Geräte zu rechtfertigen.

Das Erhalten guter Mikrographen erfordert ausreichenden Bildkontrast und Auflösung, gleichmäßigen Fokus über das gesamte Feld, gleichmäßige Beleuchtung und ausreichende Schärfentiefe. Die Lichtquelle muss richtig ausgerichtet sein, und das System muss vibrationsfrei sein. Der gelb-grüne Filter muss verwendet werden, um Linsenfehler zu korrigieren. Die Optik muss sauber sein, und die Feld- und Aperturblenden müssen korrekt eingestellt sein. Das Mikroskop wird auf verschiedene Arten fokussiert, abhängig vom Modell. Mehrere Filmformate können verwendet werden, wie Platten, Planfilm verschiedener Größen oder 35-mm-Rollfilm. Die Vergrößerung in der Filmebene muss bekannt sein. Dies ist ein einfaches Verfahren, wenn die einzigen Variablen die Objektiv- und Okularvergrößerung sind, aber schwieriger bei Verwendung eines Zoomsystems oder Balgens. Ein Objektmikrometer kann verwendet werden, um die tatsächliche Vergrößerung zu bestimmen.

Eine Reihe von Schwarz-Weiß- und Farbfilmen ist für Dunkelkammer- oder Soforttechniken erhältlich. Die Hersteller dieser Filme dokumentieren die Filmeigenschaften. Schwarz-Weiß-Filme werden normalerweise aufgrund ihrer geringeren Kosten verwendet. Sie zeigen bessere Kontrastkontrolle, sind einfacher zu verarbeiten und normalerweise schneller in der Anwendung als Farbfilme. Farbfilm hat einige wichtige Anwendungen, für die seine Kosten gerechtfertigt sind. In der traditionellen Schwarz-Weiß-Fotografie wird zuerst ein Negativbild erzeugt und verwendet, um ein Positivbild der Mikrostruktur auf geeignetem Papier zu erzeugen. Das Mikrograph hält viele Jahre ohne sichtbare Veränderung. Die Auswahl des Negativfilms basiert auf dem verfügbaren Format, der Farbempfindlichkeit, dem Kontrast, der Auflösungskraft, der Geschwindigkeit, der Körnigkeit und den Belichtungs- und Entwicklungsbreiten.

Einige Schwarz-Weiß-Filme sind nicht für das gesamte sichtbare Spektrum empfindlich. Orthochromatische Filme sind für alle Farben außer Orange und Rot empfindlich. Panchromatische Filme sind für alle Farben empfindlich, betonen aber Blau und de-emphasieren Gelb. Ein Gelbfilter kann verwendet werden, um diese Farbverzerrung zu reduzieren.

Orthochromatische Filme können unter dunkelrotem Licht entwickelt werden, aber panchromatische Filme benötigen totale Dunkelheit. Orthochromatische Filme sind sehr gut für Photomikroskopie, insbesondere wenn ein gelb-grüner Filter zur Korrektur von Linsenfehlern eingesetzt wird.

Die Filmgeschwindigkeit ist eine kritische Variable nur bei geringer Beleuchtung, wie bei polarisiertem Licht, Interferenzkontrast oder Dunkelfeldbeleuchtung. Orthochromatischer Film hat einen mittleren Kontrast, der für die meisten Strukturen ausreichend ist. Der Kontrast kann mit einem hochkontrastigen Film verstärkt werden. Die Auflösungskraft eines Films definiert seine Fähigkeit, feine Details im Bild aufzuzeichnen. Daher ist ein Film mit hoher Auflösungskraft wünschenswert. Die Körnigkeit hängt von der Größe der Silberkörner in der Emulsion, dem verwendeten Entwickler und der Entwicklungszeit und -temperatur ab. Hochgeschwindigkeitsfilme sind körniger als Niedriggeschwindigkeitsfilme, was sie weniger geeignet für Vergrößerungen macht. Kontaktabzüge werden bevorzugt. Sie benötigen eine große Filmgröße, sparen aber Vergrößerungszeit. Sie erzeugen bessere Bilder und machen die Neubestimmung der Vergrößerung des Abzugs überflüssig. Ein feinkörniger Film bietet die beste Auflösung.

Wenn ein Negativ belichtet wird, gibt es einen zulässigen Belichtungsbereich, der ein brauchbares, abziehbares Negativ erzeugt. Eine große Belichtungsbreite ist sehr wertvoll. Jeder Film enthält Informationen über seine charakteristische Beziehung zwischen Belichtungszeit und Dichte. Die gewählte Belichtung muss auf dem linearen Teil der Dichte-Zeit-Kurve liegen. Ein gutes, dichtes Negativ erlaubt die Unterdrückung einiger feiner Bildfehler beim Abzug. Ein unterbelichtetes Negativ beschränkt den Abzug stark und führt normalerweise zu einem schlechten Abzug. Die Entwicklung von Negativen ist recht einfach und umfasst die Verwendung einer Entwicklerlösung, eines Stopfbades, einer Fixierlösung sowie Waschen und Trocknen.

Die korrekte Belichtung wird am einfachsten mit einem eingebauten Belichtungsmesser bestimmt. Wenn dieser nicht verfügbar ist, kann eine Testbelichtungsserie erstellt werden. Dies wird erreicht, indem der Filmschieber vollständig herausgezogen und der gesamte Film für eine Zeit belichtet wird, die als erheblich kürzer als die benötigte beurteilt wird. Der Schieber wird dann so eingesetzt, dass er etwa 10 mm bis 20 mm des Films abdeckt, und die Belichtung wird wiederholt. Dies wird inkrementell wiederholt, bis der Schieber vollständig eingesetzt ist und den Film abdeckt. Nach der Entwicklung kann die korrekte Zeit basierend auf der Dichte des Negativs in jedem Band beurteilt werden.

Alternativ kann die Stufenbelichtung mit einem Sofortfilm derselben Geschwindigkeit durchgeführt werden, was Dunkelkammerzeit spart. Die meisten Schwarz-Weiß-Filme werden kontaktabgezogen. Das Negativ wird mit der Emulsionsseite nach oben auf den Kontaktabzugsrahmen gelegt, und ein geeignetes Papier wird mit der Emulsionsseite nach unten über das Negativ gelegt. Der Drucker wird geschlossen, und Licht wird durch den Film auf das Papier geleitet. Der Abzug wird entwickelt, gestoppt, fixiert, gewaschen und getrocknet. Der Abzugskontrast wird durch die Papierart und die Entwicklungszeit gesteuert. Die Abzugskontrasttypen variieren von extra-weich (flach) bis extra-kontrastreich (Grade 1 bis 5). Papier Nr. 3 wird am häufigsten verwendet. Papier Nr. 4 wird verwendet, um den Kontrast zu erhöhen, und Nr. 2, um ihn zu verringern.

Sofortprozessfilme eliminieren die Dunkelkammerarbeit und beschleunigen so den Prozess. Polaroid-Abzüge verwenden den Diffusions-Transfer-Umkehrprozess. Die Entwicklung beginnt, wenn der Film nach der Belichtung aus der Kamera entfernt wird. Die Aktion, den Film aus der Kamera zu ziehen, zerdrückt eine Kapsel mit dem viskosen, ätzenden Entwickler und verteilt ihn über den Film. Schwarz-Weiß-Filme entwickeln sich schnell, während Farbabzüge etwas mehr Zeit benötigen. Einige Polaroid-Filme haben sehr hohe Geschwindigkeiten, ein Vorteil bei schwacher Beleuchtung. Einige Abzüge müssen mit einem neutralisierenden Stabilisator/Schutzlack beschichtet werden, um Flecken und Verblassen zu verhindern. Auch Sofortfilme sind erhältlich, die ein Negativ und einen Positivabzug erzeugen. Dieses Negativ muss geklärt werden, aber eine Dunkelkammer ist nicht erforderlich. Polaroid-Filme, die in der Mikroskopie verwendet werden, sind alle panchromatisch. Sie sind als Rollfilm, Film-Packs oder Blätter erhältlich. Die Belichtungszeiten müssen genauer kontrolliert werden, um gute Abzüge zu erhalten, als bei traditionellen Nassprozessfilmen.

Makrofotografie

Untersuchung und Fotografie werden häufig für Objekte wie makrogeätzte Scheiben und Bruchteile benötigt. Die Untersuchung kann visuell oder mit Hilfe einer einfachen Handlupe oder eines Stereomikroskops durchgeführt werden. Makrofotografie kann mit den meisten Kameras durchgeführt werden, möglicherweise unterstützt durch Nahlinseinsätze, Balgen oder ein Makroobjektiv. Viele Stereomikroskope können mit Kameras für die Fotografie ausgestattet werden, während einige Stereopaare aufnehmen. Einige Hersteller bieten Kamerastative für Makrofotografie an. Einige Metallographen haben auch niedrigvergrößernde Objektive, die bestimmte Arten der Makrofotografie durchführen können.

Makrofotografie nutzt Vergrößerungen von weniger als 1× bis 50×. Die meisten Labore, insbesondere solche, die sich mit Schadensanalysen befassen, verfügen über verschiedene Kameras, Lichtquellen und Stereobetrachter, um den breiten Bereich der zu fotografierenden Objekte abzudecken. Korrekte Beleuchtung ist notwendig, um Details hervorzuheben und eine gleichmäßige Ausleuchtung ohne Blendung oder Reflexion zu gewährleisten. Die Anpassung der Beleuchtung erfordert etwas Experimentieren und Erfahrung. Verfügbare Beleuchtung umfasst Flutlichter, Ringe, Koaxial- oder Glasfaseroptiken. Eine Lichtbox ist nützlich, um Schatten zu eliminieren, aber erhebliche Kreativität ist nötig, um gute Ergebnisse zu erzielen.

Schärfentiefe und Auflösung sind wichtige Variablen. Viele der zu fotografierenden Objekte sind dreidimensional, was eine gewisse Schärfentiefe und richtige Beleuchtung erfordert, um Form und Textur zu enthüllen. Die Schärfentiefe variiert mit der Blendenöffnung, der Vergrößerung und der Brennweite des Objektivs. Das Abblenden verbessert die Schärfentiefe, verringert aber die Bildhelligkeit und -klarheit. Die Schärfentiefe nimmt auch zu, wenn die Vergrößerung abnimmt und die Brennweite zunimmt. Für Vergrößerungen unter 5× werden Brennweiten von 100 mm oder mehr bevorzugt. Kürzere Brennweiten werden für höhere Vergrößerungen verwendet.