Microscopia Óptica

Microscopia óptica  

A microscopia estuda a ampliação da imagem dos objetos que são muito pequenos para serem vistos a olho nu. A microscopia cumpre sua função fazendo uso das radiações (Fig. 1) emitidas, absorvidas, transmitidas ou refletidas pela amostra a ser observada. A natureza da radiação especifica o tipo de microscopia, como microscopia óptica, microscopia eletrônica, microscopia de raios X ou microscopia acústica, etc. A parte visível do espectro eletromagnético é o tipo de radiação usado pela microscopia óptica. A microscopia óptica é o exame microscópico de materiais através do microscópio óptico.

Fig 1 Ondas eletromagnéticas

Lupas ásperas foram usadas nos tempos antigos, mas a evolução dos microscópios modernos começou no século XVII. Embora o primeiro microscópio composto tenha sido construído por Hans e Zacharias Janssen em 1595, Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) conseguiu fazer lentes tão boas que alcançaram a incrível ampliação de cerca de 300x em seus microscópios muito simples. Por causa das sugestões do cientista Robert Hook por volta de 1670, o fabricante de instrumentos Christopher Cock, em Londres, construiu um microscópio composto de muito sucesso. Com este instrumento, Hook foi capaz de observar as células. O microscópio de Hook pode ser considerado o pai dos instrumentos modernos.

O microscópio óptico, frequentemente chamado de “microscópio de luz”, é um tipo de microscópio que usa luz visível (Fig 1) e um sistema de lentes para ampliar imagens de pequenas amostras. Os microscópios ópticos são os mais antigos e simples dos microscópios. É um instrumento muito importante para o estudo da microestrutura, apesar da evolução dos sofisticados instrumentos metalográficos eletrônicos. O sofisticado "microscópio eletrônico de varredura" (SEM) e o "microscópio eletrônico de transmissão" (TEM) também são instrumentos inestimáveis. No entanto, eles devem ser usados ​​em conjunto com o microscópio óptico, e não como substitutos.

Todos os exames de microestrutura começam com o uso do microscópio óptico, iniciando com baixa ampliação, como 100x, seguida por ampliações progressivamente maiores para avaliar as características básicas da microestrutura de forma eficiente. A maioria das microestruturas pode ser observada com o microscópio óptico e identificada com base em suas características. A identificação de constituintes questionáveis ​​ou desconhecidos pode ser auxiliada pela observação de sua dureza em relação à matriz, por sua cor natural, por sua resposta à luz polarizada e por sua resposta aos decapantes seletivos. Essas observações são comparadas com os detalhes conhecidos sobre a metalurgia física do material que está sendo examinado. Se a dúvida persistir ou se a estrutura for muito fina para ser observada, técnicas mais sofisticadas devem ser implementadas.





O microscópio óptico pode ser usado para examinar amostras metalográficas polidas ou gravadas. Certos constituintes são mais facilmente observados como polidos, porque não são obscurecidos por detalhes de gravação. Inclusões, nitretos, certos carbonetos e fases intermetálicas podem ser facilmente observadas sem ataque. Com exceção das inclusões, as demais fases podem ser examinadas mais facilmente se algum relevo for introduzido durante o polimento final. As amostras devem ser adequadamente preparadas para garantir a correta observação e interpretação da microestrutura sem complicações de artefatos. Amostras que respondem à luz polarizada, como materiais com estruturas cristalinas não cúbicas, são normalmente examinadas sem ataque. No entanto, na maioria dos casos, o ataque deve ser realizado para observar a microestrutura. Um decapante de uso geral é normalmente usado primeiro para revelar a estrutura do grão e as fases presentes, seguido por decapantes seletivos que atacam ou colorem fases específicas de interesse. Os condicionadores seletivos são amplamente utilizados para metalografia quantitativa, principalmente se realizados usando um dispositivo automatizado. Em ambos os casos, a gravação deve ser realizada com cuidado para revelar a microestrutura com clareza.

Um microscópio usa uma lente objetiva de distância focal muito curta para formar uma imagem muito ampliada. Esta imagem é então vista com uma ocular de distância focal curta usada como uma lupa simples. O conceito básico de imagem e as estruturas da microscopia óptica são mostrados na Fig. 2. O sistema óptico de um microscópio inclui principalmente uma lente objetiva e uma ocular. O objetivo de uma lente objetiva é ampliar um objeto para que possa ser claramente observado pelo usuário. Durante a observação, a amostra é colocada perto do plano focal da lente objetiva no espaço do objeto, e uma imagem real ampliada da amostra é criada primeiro no plano intermediário. O plano intermediário está localizado no plano focal da ocular, portanto, a ocular funciona como uma lupa para ampliar ainda mais a imagem projetada no plano de imagem intermediário. Finalmente, uma imagem ampliada, virtual e invertida é fornecida para o observador.

Fig 2 Princípio óptico da imagem microscópica

A capacidade de um microscópio óptico para produzir imagens separáveis ​​de diferentes pontos em um objeto é limitada. O poder de resolução de uma lente é uma medida quantitativa dessa capacidade. Pontos mais próximos do que o limite de resolução não podem ser distinguidos como pontos separados. Ernst Abbe em 1873 fixou pela primeira vez o valor da distância mínima d entre dois pontos adjacentes permitindo que eles fossem percebidos como separados pela equação 'd =l/2n sin A', onde 'l' é o comprimento de onda da luz, 'A' é metade da abertura angular da lente e 'n' é o índice de refração do meio entre o objeto e a lente.

Atualmente, a menor separação linear de dois pontos de objetos para os quais eles podem ser resolvidos por um objetivo é fixado pelo critério de Rayleigh dado pela equação 'd =1,22(l/2NA)' onde 'l' é o comprimento de onda da luz, e 'NA' é a abertura numérica da objetiva. Tanto o critério de Abbe quanto o critério de Rayleigh são muito semelhantes, sendo a abertura numérica relacionada ao meio de imagem por NA =n sin A. O valor máximo de sinA é 1 (A =90 graus), daí a abertura numérica máxima teórica de um objetiva no ar (n =1) é NA =1. Como uma alta NA é um requisito essencial para alta resolução, a ótica de imersão foi desenvolvida. As amostras podem ser fotografadas a uma distância muito curta do objetivo através de meios de imersão com um índice de refração diferente, como água (n =1,33), glicerina (n =1,47) ou óleo (n =1,52).

Para um microscópio bem projetado, a resolução espacial é determinada principalmente pela lente objetiva. Embora uma ocular também possa ampliar a imagem, ela não pode melhorar o poder de resolução dos microscópios. A resolução espacial de um microscópio óptico é dada pela equação de Rayleigh Ro =0. 62 l/n sen A, onde 'Ro' é a distância mínima resolvível, 'l' é o comprimento de onda da luz, 'n' é o índice de refração do meio entre a lente e o objeto e 'A' é um -metade da abertura angular da lente, e n sinA é a abertura numérica da objetiva.

Com base na equação acima, e considerando as limitações práticas, nomeadamente (i) o uso de luz visível com comprimento de onda entre 390 nm (nanômetros) e 760 nm, (ii) a abertura máxima alcançável com o meio ângulo de 70 graus a 75 graus, e (iii) a obrigatoriedade do uso de métodos de imersão com água ou óleo para aumento do índice de refração, a resolução de um microscópio óptico convencional não pode ultrapassar 200 nm.

O microscópio óptico e o caminho de onda óptica simplificado do microscópio são mostrados na Fig. 3. O microscópio óptico moderno é capaz de ampliar um objeto em 1.500 vezes com o limite de 200 nm na resolução espacial. Os microscópios ópticos podem ser divididos em muitos tipos diferentes usando uma variedade de critérios. Por exemplo, com base em um método de iluminação, existem os tipos de microscópios de transmissão e reflexão. Em um microscópio de transmissão, a luz passa através de objetos transparentes. Em um microscópio de reflexão, a fonte de luz instalada na parte superior da lente microscópica ilumina os objetos não transparentes e a luz refletida é coletada pela lente. Os microscópios também podem ser diferenciados com base nos métodos de observação, incluindo microscópios de campo claro, microscópios de campo escuro, microscópios de diferença de fase, microscópios de luz polarizada, microscópios de interferência e microscópios fluorescentes.

Cada microscópio pode usar a abordagem de transmissão ou reflexão. Os microscópios de campo claro são os mais populares e amplamente utilizados de todos os microscópios. Usando este tipo de microscópio, a taxa de transmissão (ou absorção) e a taxa de reflexão de alguns objetos observados variam de acordo com a mudança dos ambientes de trabalho. A amplitude desses objetos varia com a mudança na intensidade da iluminação. Os objetos transparentes incolores são visíveis apenas quando a fase da luz iluminada muda. Como os microscópios de campo claro não podem mudar a fase da luz, as amostras transparentes incolores são invisíveis ao usar este tipo de microscópio.

Fig 3 Microscópio óptico e seu princípio

Componentes do microscópio

Os microscópios ópticos variam consideravelmente em custo e capacidade. A luz refletida é usada para o estudo de metais. Os microscópios de luz transmitida são usados ​​para estudar minerais e polímeros, que também podem ser examinados usando luz refletida. Os microscópios ópticos também são classificados como “verticais” ou “invertidos”. Esses termos referem-se à orientação do plano de polimento da amostra durante a observação. Como cada configuração tem certas vantagens e desvantagens, a seleção é baseada na preferência pessoal. O microscópio óptico mais simples é o tipo de bancada (normalmente na vertical). Os recursos fotográficos podem ser adicionados a alguns microscópios, dependendo da rigidez do suporte.

Estão disponíveis diferentes tipos de microscópios adequados para observação e microscopia fotográfica. Podem ser unidades bastante simples ou microscópios de pesquisa em grande escala com diversos modos de iluminação, fontes de luz, acessórios de microdureza, estágios quentes e assim por diante. Os componentes básicos do microscópio óptico são fornecidos abaixo e mostrados na Fig 3.

Iluminação  sistema – Uma variedade de fontes de luz para microscopia óptica está disponível. A lâmpada de filamento de tungstênio de baixa tensão usada principalmente com microscópios de bancada tem intensidade adequada para observação, mas não para fotografia. A alteração da corrente para a lâmpada controla a intensidade da luz. Os sistemas de iluminação de arco de carbono, uma vez comuns em microscópios, foram substituídos por fontes de luz de arco ou filamento. A fonte de luz de arco de xenônio é predominante devido à sua alta intensidade e características de cor da luz do dia. A intensidade da luz, no entanto, pode ser ajustada apenas pelo uso de filtros de densidade neutra. As lâmpadas de filamento de tungstênio-halogênio também são amplamente utilizadas por sua alta intensidade e alta temperatura de cor. A intensidade da luz pode ser controlada variando a corrente ou usando filtros de densidade neutra. Outras fontes de luz, como as lâmpadas de arco de zircônio, arco de sódio, quartzo-iodo ou vapor de mercúrio, são menos comuns.

Condensador – Uma lente ajustável livre de aberração esférica e coma é colocada na frente da fonte de luz para focalizar a luz no ponto desejado no caminho óptico. Um diafragma de campo é colocado na frente desta lente para minimizar o brilho interno e os reflexos dentro do microscópio. O diafragma de campo é parado até a borda do campo de visão. Um segundo diafragma de íris ajustável, o diafragma de abertura, é colocado no caminho da luz antes do iluminador vertical.

Abrir ou fechar este diafragma altera a quantidade de luz e o ângulo do cone de luz que entra na lente objetiva. A configuração ideal para essa abertura varia de acordo com cada lente objetiva e é um compromisso entre contraste de imagem, nitidez e profundidade de campo. À medida que a ampliação aumenta, o diafragma de abertura é parado. Abrir esta abertura aumenta a nitidez da imagem, mas reduz o contraste. Fechar a abertura aumenta o contraste, mas prejudica a nitidez da imagem. O diafragma de abertura não deve ser usado para reduzir a intensidade da luz. Deve ser ajustado apenas para contraste e nitidez.

Filtros de luz – Eles são usados ​​para modificar a luz para facilitar a observação, melhorar a microscopia de foto ou alterar o contraste. Filtros de densidade neutra são usados ​​para reduzir a intensidade da luz uniformemente em todo o espectro visível. Diferentes filtros de densidade neutra de cerca de 85% a 0,01% de transmitância estão disponíveis. A maioria dos microscópios ópticos tem seleção de pelo menos dois desses filtros.

Filtros seletivos são usados ​​para equilibrar a temperatura de cor da fonte de luz com a do filme. Isso é frequentemente necessário para a reprodução fiel de imagens coloridas, dependendo da fonte de luz utilizada e do tipo de filme. Um filtro verde ou verde-amarelo é amplamente utilizado na fotografia em preto e branco para reduzir o efeito dos defeitos da lente na qualidade da imagem. A maioria das objetivas, particularmente as acromáticas de baixo custo, precisam dessa filtragem para bons resultados.

Filtros polarizadores são usados ​​para produzir luz polarizada plana (um filtro) ou luz polarizada cruzada (dois filtros girados para produzir extinção) para exame de materiais não cúbicos (cristalográficos). Materiais que são opticamente anisotrópicos, como berílio, zircônio, alfa-titânio e urânio, podem ser examinados na condição de polarização cruzada sem ataque. Uma placa de tonalidade sensível também pode ser usada com luz polarizada cruzada para melhorar a coloração.

A lente objetiva – Forma a imagem primária da microestrutura e é o componente mais importante do microscópio óptico. A lente objetiva coleta o máximo de luz possível da amostra e combina essa luz para produzir a imagem. O NA da objetiva é uma medida da capacidade de coleta de luz da lente. A capacidade de coleta de luz aumenta com o ângulo 'A'. A configuração do diafragma de abertura altera o NA do condensador e, portanto, o NA do sistema.

As lentes objetivas (Fig. 4) são normalmente montadas em uma torre de nariz que pode aceitar de quatro a seis objetivas. Alguns microscópios não usam torres de nariz, e apenas uma objetiva de cada vez pode ser colocada no iluminador vertical usando um suporte de baioneta. O iluminador vertical contém um refletor ou prisma que desvia a luz da objetiva para a superfície da amostra. Ele normalmente mantém os diafragmas e filtros de abertura e campo também. O iluminador vertical normalmente fornece apenas um ou dois tipos de iluminação, como iluminação de campo claro e campo escuro ou iluminação de campo claro e luz polarizada. No entanto, agora estão disponíveis iluminadores verticais universais que fornecem todos os tipos de iluminação com um iluminador vertical e um conjunto de objetivas.

O comprimento do tubo é o comprimento do tubo do corpo desde a linha do olho da ocular até a rosca objetiva. Este comprimento não é padronizado e pode variar. A maioria das objetivas são projetadas para uso com um determinado comprimento de tubo, normalmente de 160 mm a 250 mm, e normalmente não podem ser trocadas.

A objetiva mais utilizada é a acromática, que é corrigida esfericamente para uma cor (normalmente amarelo-verde) e para aberração cromática longitudinal para duas cores (normalmente vermelho e verde). Portanto, os acromáticos não são adequados para microscopia de foto colorida. O uso de um filtro verde-amarelo e filme ortocromático produz ótimos resultados. No entanto, os acromáticos fornecem uma distância de trabalho relativamente longa, ou seja, a distância da lente frontal da objetiva até a superfície da amostra. A distância de trabalho diminui à medida que a ampliação da objetiva aumenta. A maioria dos produtores faz objetivas de longa distância de trabalho para aplicações especiais, por exemplo, em microscopia de estágio quente. Os acromáticos são livres de tensão, o que é importante para exames de luz polarizada. Uma vez que contêm menos lentes do que outras lentes mais corrigidas, as perdas internas de reflexão são minimizadas.

As objetivas semi-apocromáticas ou de fluorita fornecem um maior grau de correção de aberrações esféricas e cromáticas. Assim, eles produzem imagens de maior qualidade do que os acromáticos. As objetivas apocromáticas têm o maior grau de correção, produzem os melhores resultados e são mais caras. As objetivas de plano têm correção extensiva para nivelamento de campo, o que reduz a fadiga ocular, e são frequentemente encontradas em microscópios modernos.

Com os sistemas de lentes parfocais, cada objetiva na torre do revólver está quase em foco quando a torre é girada, evitando que a lente frontal da objetiva atinja a amostra quando as lentes são trocadas. Muitas objetivas também são acionadas por mola, o que ajuda a evitar danos à lente. Isso é mais um problema com objetivas de alta ampliação, porque a distância de trabalho pode ser muito pequena.

Certas objetivas são projetadas para uso com óleo entre a amostra e a lente frontal da objetiva. No entanto, as lentes de imersão em óleo raramente são usadas, pois a amostra e a lente devem ser limpas após o uso. No entanto, eles fornecem resoluções mais altas do que podem ser alcançadas quando o ar está entre a lente e a amostra. Neste último caso, o NA máximo possível é 0,95, enquanto as lentes de imersão em óleo produzem um NA de 1,3 a 1,45 NA, dependendo da lente e do óleo usado. Ampliações de 25x a 160x estão disponíveis. O uso de óleo também aguça a imagem, o que é valioso ao examinar amostras de baixa refletividade, como carvão ou cerâmica.

Fig 4 Tipos de lente objetiva e ocular

Ocular – Também é chamada de lente ocular. A ocular (Fig. 4) amplia a imagem primária produzida pela objetiva. O olho pode então usar a capacidade de resolução total da objetiva. O microscópio produz uma imagem virtual da amostra no ponto de visão mais distinta, normalmente a 250 mm do olho. A ocular amplia esta imagem, permitindo a obtenção de ampliações úteis. A ocular padrão tem um campo de visão de 24 mm de diâmetro, enquanto as oculares de campo amplo para objetivas planas têm um campo de visão de 30 mm de diâmetro, o que aumenta a área útil da imagem primária.

A ocular mais simples é a ocular Huygenian, cujo design foi inventado por C. Huygens. Consiste em duas lentes plano-convexas com suas superfícies convexas voltadas para a lente objetiva. É satisfatório para uso com objetivas acromáticas de baixa e média potência. As oculares de compensação são usadas com alta acromática NA e as objetivas mais altamente corrigidas. Como algumas correções de lentes são realizadas usando essas oculares, a ocular deve ser compatível com o tipo de objetiva usada.

O afastamento do olho é a distância entre a lente do olho da ocular e do olho. Para a maioria das oculares, a distância entre os olhos é de 10 mm ou menos, o que é inadequado se a pessoa que usa o microscópio usa óculos. Problemas de visão simples, como miopia, podem ser resolvidos usando o ajuste de foco fino. Problemas de visão como astigmatismo não podem ser corrigidos pelo microscópio, e óculos devem ser usados. Oculares de alto ponto de visão estão disponíveis para fornecer a distância entre os olhos de cerca de 20 mm necessária para óculos.

As oculares são normalmente equipadas com vários retículos ou retículas para localizar, medir, contar ou comparar microestruturas. A ocular aumenta a imagem do retículo ou retícula e a imagem primária. Ambas as imagens devem estar em foco simultaneamente. Oculares especiais também são produzidas para permitir medições mais precisas do que as que podem ser feitas com uma escala de retícula. Exemplos são a ocular de micrômetro de filar ou ocular de micrômetro de parafuso. Esses dispositivos podem ser automatizados para produzir uma leitura digital direta da medição, com precisão de cerca de 1 micrômetro.

Normalmente é usada uma ocular de ampliação de 10x, porém para obter ampliações padrão, alguns sistemas precisam de outras ampliações, como 6,3x. Oculares de maior potência, como 1×, 15×, 20× ou 25×, também são úteis em determinadas situações. A ampliação total é encontrada multiplicando-se a ampliação da objetiva, Mo, pela ampliação da ocular, Me (Fig. 2). Se um sistema de zoom ou fole também for usado, a ampliação deve ser alterada de acordo.

Estágio – Uma platina mecânica é fornecida para focalizar e mover a amostra, que é colocada na platina e presa por meio de clipes. A platina de um microscópio invertido possui placas de platina central substituíveis com orifícios de tamanhos diferentes. A superfície polida é colocada contra o orifício para visualização. No entanto, toda a superfície não pode ser visualizada e, em altas ampliações, não é possível focalizar a objetiva perto da borda do furo devido à distância de trabalho restrita. No caso de microscópio vertical, a amostra é colocada em uma lâmina na platina. Como a superfície polida deve ser perpendicular ao feixe de luz, a argila é colocada entre o fundo da amostra e a lâmina. Um pedaço de tecido de lente é colocado sobre a superfície polida e a amostra é pressionada na argila usando uma prensa de nivelamento. No entanto, pedaços de tecido podem aderir à superfície da amostra. Uma alternativa, particularmente útil com amostras montadas, é usar um anel em vez de tecido para achatar a amostra. Formas de anel de alumínio ou aço inoxidável do mesmo tamanho que os suportes (achatados levemente em uma morsa) assentam no suporte em vez da amostra.

O microscópio vertical permite a visualização de toda a superfície com qualquer objetiva, e o operador pode ver qual seção da amostra está sendo visualizada. É um recurso útil ao examinar áreas específicas em amostras revestidas, soldas e outras amostras onde áreas específicas devem ser examinadas. Para amostras montadas, um suporte de palco autonivelante para montagens pode eliminar o nivelamento de amostras em argila.

O palco deve ser rígido para eliminar vibrações. O movimento da platina, controlado por micrômetros x e y, deve ser suave e preciso e, portanto, a engrenagem de cremalheira e pinhão é normalmente usada. Muitos estágios têm escalas para medir as distâncias nas direções x e y. Os controles de focagem frequentemente contêm regras para estimar o movimento vertical. Algumas unidades possuem estágios motorizados e controles de foco.

Uma placa de platina giratória circular pode facilitar o exame de luz polarizada. Tais estágios, comuns para estudos mineralógicos ou petrográficos, são graduados para permitir a medição do ângulo de rotação. Uma platina retilínea é normalmente colocada no topo da platina circular.

Suporte – Os microscópios de bancada precisam de um suporte rígido, principalmente se a fotomicroscopia for realizada na unidade. As várias peças do microscópio são fixadas ao suporte quando montadas. Em alguns casos, o microscópio de bancada é colocado em um suporte separado que também contém o sistema fotográfico.

Defeitos da lente

Muitos defeitos da lente resultam das leis de reflexão e refração. O índice de refração de uma lente varia com o comprimento de onda da luz, e a distância focal da lente varia com o índice de refração. Assim, a distância focal muda para diferentes cores de luz. Uma imagem separada para cada comprimento de onda presente é focada em diferentes distâncias da lente. Esta é a aberração cromática longitudinal (Fig. 5). Além disso, a ampliação varia com a distância focal, alterando o tamanho da imagem. Esta é a aberração cromática lateral (Fig. 5). Essas diferenças devem ser eliminadas para produzir fotografias coloridas. Como os acromáticos têm correções limitadas para esses problemas, eles devem ser usados ​​com filtragem de luz verde-amarela para obter imagens nítidas. A aberração esférica (Fig. 5) ocorre quando a luz de um objeto pontual no eixo óptico é refratada mais fortemente no centro ou na periferia da lente, produzindo uma série de posições focais nas quais a imagem do ponto aparece como um círculo de área finita. . Isso pode ser minimizado usando uma abertura que restringe o uso da objetiva à parte central. O design da lente também pode corrigir parte desse problema.

Como a superfície da imagem de foco ideal é curva, oculares de compensação com curvatura igual, mas oposta, são usadas para produzir uma imagem plana. Outros problemas, como coma e astigmatismo, podem prejudicar a qualidade da imagem, a menos que sejam corrigidos.



Fig 5 Defeitos da lente

Resolução

Para ver detalhes microestruturais, o sistema óptico é necessário para produzir resolução adequada, ou poder de resolução, e contraste de imagem adequado. Se a resolução for aceitável, mas não houver contraste, os detalhes não poderão ser observados. Em geral, a capacidade de resolver dois pontos ou linhas separados por uma distância 'd' é uma função do comprimento de onda, 'l', da luz incidente e da abertura numérica, NA, do objetivo. Isso segue a equação ‘d =k.l / NA’, onde k é 0,5 ou 0,61. A Fig. 6 mostra esta relação para k =0,61 e quatro comprimentos de onda de luz. Outras fórmulas também foram relatadas. A equação não inclui outros fatores que influenciam a resolução, como o grau de correção das objetivas e a acuidade visual da pessoa que olha pelo microscópio. Baseia-se no trabalho de Abbe sob condições não presentes na metalografia, como pontos auto-luminosos, contraste preto-branco perfeito, exame de luz transmitida, fonte de luz pontual ideal e ausência de defeitos nas lentes.

Usando a equação do parágrafo anterior, o limite de resolução para uma objetiva com NA de 1,4 é em torno de 0,2 micrômetros. Para ver linhas ou pontos espaçados de 0,2 micrômetros, a ampliação necessária deve ser determinada dividindo o poder de resolução da objetiva pelo poder de resolução do olho humano, que é difícil de determinar em condições de observação. Abbe usou um valor de 0,3 mm a uma distância de 250 mm, que é a distância do olho para uma visão ideal. Para luz com comprimento de onda médio de 0,55 micrômetros, a ampliação necessária é 1.100 vezes o NA da objetiva. Esta é a origem da regra de 1.000 NA para a ampliação útil máxima. Qualquer ampliação acima de 1.000 NA é chamada de “vazia” ou inútil.

A estrita aderência à regra 1.000 NA deve ser questionada, considerando as condições em que foi desenvolvida, que certamente são muito diferentes daquelas encontradas na metalografia. De acordo com a análise de Abbe, para uma pessoa que usa microscópio óptico com visão ideal de 20/20 e para condições de contraste ideais e comprimento de onda de luz médio de 550 nm, a ampliação mais baixa que aproveita ao máximo o NA da objetiva é 550 vezes o NA . Isso estabelece uma ampliação mínima útil para usar com uma determinada objetiva. Foi sugerido que o limite superior de ampliação útil para a pessoa média usando microscópio óptico é 2.200 NA, não 1.000 NA.

Fig 6 Relação entre a resolução e a profundidade de campo com a abertura numérica

Profundidade de campo

A profundidade de campo é a distância ao longo do eixo óptico sobre a qual os detalhes da imagem são observados com clareza aceitável. Esses fatores que influenciam a resolução também afetam a profundidade de campo, mas na direção oposta. Portanto, um compromisso deve ser alcançado entre esses dois parâmetros, que se tornam mais difíceis à medida que a ampliação aumenta. Esta é uma razão pela qual a gravação com luz é preferida para o exame de alta ampliação.

Modos de exame

Para atingir a capacidade de resolução da objetiva selecionada, o contraste da imagem deve ser adequado. O contraste da imagem depende da preparação da amostra e da ótica. As diferenças na refletividade da luz da superfície da amostra produzem características de amplitude visíveis ao olho após a ampliação. As diferenças de fase criadas pela reflexão da luz devem ser tornadas visíveis pelo uso de acessórios de contraste de fase ou contraste de interferência ao microscópio.

Iluminação de campo claro – A iluminação vertical de campo claro, o método de observação mais utilizado, é responsável pela grande maioria das micrografias tiradas. Em operação, a luz passa pela objetiva e atinge a superfície da amostra perpendicularmente. As características da superfície normais à luz incidente refletem a luz de volta através da objetiva para as oculares, onde as características da superfície parecem brilhantes. Superfícies oblíquas ao feixe de luz refletem menos luz para a objetiva e parecem mais escuras, dependendo de seu ângulo.

Iluminação oblíqua – Com alguns microscópios, é possível descentralizar o conjunto do condensador ou o espelho para que a luz que passa pela objetiva atinja a superfície da amostra em um ângulo não perpendicular. A rugosidade na superfície da amostra projeta sombras, produzindo uma aparência tridimensional. Isso permite a determinação de recursos que estão em relevo ou são recuados. No entanto, muito pouca obliquidade pode ser introduzida, pois esta técnica faz com que a iluminação se torne não uniforme e reduz a resolução.

Em iluminação de campo escuro – Na iluminação de campo escuro, a luz refletida de feições orientadas obliquamente é coletada e os raios refletidos de feições normais ao feixe incidente são bloqueados. Assim, o contraste é essencialmente invertido daquele da iluminação de campo claro; ou seja, os recursos que são brilhantes na iluminação de campo claro aparecem escuros e os recursos normalmente escuros parecem claros. Isso produz um contraste de imagem muito forte, com os recursos oblíquos aparecendo luminosos. Sob tais condições, frequentemente é possível ver características não visíveis usando iluminação de campo claro. Este método é particularmente útil para estudar estruturas de grãos. No entanto, a baixa intensidade de luz torna a fotomicroscopia mais difícil, um problema atenuado pelo uso de dispositivos automáticos de controle de exposição.

Luz polarizada – A luz polarizada, como usada na metalografia, normalmente se limita à observação de certos metais opticamente anisotrópicos, como berílio, alfa-titânio, zircônio e urânio, que são difíceis de gravar, mas respondem bem à luz polarizada quando polidos adequadamente. Antes do desenvolvimento do analisador de micro-sonda de elétrons (EMPA) e da espectroscopia de dispersão de energia (EDS), o exame de luz polarizada era parte integrante do método para identificar inclusões. Since the development of these instruments, polarized light has been used less frequently for this purpose, since identification with the EMPA or EDS techniques is more definitive. Most metallurgical microscopes now use synthetic Polaroid filters. The ‘polarizer’ is placed in the light path before the objective, and the ‘analyzer’ is placed in the light path after the objective, normally just below the eyepiece.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Auxiliary techniques

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Photo-microscopy

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Macro-photography

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

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

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