Магнитогорск

СТЕРЕОМИКРОСКОПА

ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ

ФГБОУ ВПО «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г. И. НОСОВА»

КАФЕДРА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам «Методы исследования материалов», «Физические свойства материалов», «Современные методы исследования материалов», «Методы контроля и анализа веществ» для студентов технических направлений и специальностей ВУЗа

Составители: О.А. Никитенко

Ю.Ю. Ефимова

Н.В. Копцева

Изучение устройства и принципов работы стереомикроскопа: Методические указания к лабораторной работе по дисциплинам «Методы исследования материалов», «Физические свойства материалов», «Современные методы исследования материалов», «Методы контроля и анализа веществ» для студентов технических направлений и специальностей ВУЗа. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. – 10 с.

Рецензент Е.Г. Касаткина

© Никитенко О.А., Ефимова Ю.Ю., Копцева Н.В.

ВВЕДЕНИЕ

Человеческий глаз не в состоянии различить объекты размером менее 0,15-0,20 мм на комфортном оптическом расстоянии около 250 мм. Для исследования микрообъектов размером менее 0,15-0,20 мм – микроорганизмов, растительных и животных клеток, кристаллов, деталей микроструктур металлов и сплавов – используют микроскопы различных типов.

Стереомикро́скоп (от стерео, греч. στερεός – пространственный) – это микроскоп для рассматривания предметов с объёмным их восприятием. Изображения предмета образуют стереопару, что обеспечивает их передачу в соответствии с тем, как объект раздельно видит правый и левый глаз человека. С помощью стереомикроскопа можно точнее определить форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. Кроме научных исследований, стереомикроскопы используются в технике, например, при контроле качества печатных плат.

Стереомикроскоп может быть аналоговым или цифровым.

Цель работы: познакомиться с устройством, принципами работы стереомикроскопа и его возможностями.

1. УСТРОЙСТВО СТЕРЕМИКРОСКОПА И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Лабораторная работа выполняется на стереомикроскопе Meiji Techno серии RZ, внешний вид которого представлен на рис. 1. Конструкция серии RZ представляет собой два параллельных оптических пути, которые проходят через общий основной объектив. Такая система позволяет менять и устанавливать промежуточные оптические компоненты, включая светоделитель, коаксиальный осветитель, блок для рисования, видео- или фотоблок.

Стереомикроскоп Meiji Techno обладает следующими техническими характеристиками:

•Оптическая схема: схема Аббе;

• Общее увеличение (с комплектом окуляров и объективов): от 3.75x до 300x;

• Увеличение ZOOM: 1:10 (0.75x - 7.5x);

• Основные объективы Plan Achromat: 0.5x, 0.75x, 1.0x, 1.5x, 2.0x;

• Сверхширокопольные окуляры с диоптрийной настройкой: 10x, 15x, 20x;

• Бинокулярные насадки: стандартная бинокулярная насадка с углом наклона окулярных трубок 45°, эргономичная бинокулярная насадка с регулируемым углом наклона окулярных трубок от 10 до 50°;

• Фото- и видео-документирование.

В принципиальной схеме стеремикроскопа можно выделить следующие основные узлы (рис. 1):

1) оптическая головка микроскопа;

2) окулярная насадка;

3) стол микроскопа;

4) осветитель (на рисунке не показан);

5) основание стола микроскопа.

1.1. Оптическая головка – основной узел прибора, в который вмонтированы все оптические детали. Оптические компоненты включают оптический стереоблок RZ ZOOM, объективы, бинокулярные насадки (окулярные трубки с окулярами) (рис. 1).

Оптический стереоблок RZ ZOOM характеризуются кратностью трансфокатора 10:1 (0.75x - 7.5x) с механизмом фиксации увеличения в 12 положениях и с двумя встроенными регулируемыми ирисовыми диафрагмами.

Диафрагмы – это система непрозрачных пластинок с отверстием посередине. Она ограничивает световой поток, падающий на объект исследования. При использовании объективов с большим увеличением отверстие диафрагмы следует уменьшить для ослабления сферической аберрации.

Плавное движение двух параллельных колонн из восьми увеличительных линз в четырех группах регулируется поворотом револьвера изменения увеличения (ZOOM). Чтобы установить нужное увеличение, достаточно, вращая револьвер, совместить цифру на рукоятке с индексом, нанесенным в виде точки на подшипнике. Каждое из 12 положений револьвера фиксируется щелчком специального пружинного фиксатора.

Главный оптический узел – объектив микроскопа. Он крепится на резьбу к корпусу оптической головки снизу. К микроскопу прилагается серия сменных объективов Plan Achromat с высоким разрешением и увеличением 0.5x, 0.75x, 1.0x, 1.5x и 2.0x (рис. 2).

Ниже приведена характеристика используемых объективов:

Plan Achromat 0.5x, рабочее расстояние 164 мм;

Plan Achromat 0.75x, рабочее расстояние 101 мм;

Plan Achromat 1.0x, рабочее расстояние 76 мм;

Plan Achromat 1.5x, рабочее расстояние 43 мм;

Plan Achromat 2.0x, рабочее расстояние 29 мм.

Оптическая головка имеет механизм фокусировки, который представляет собой реечное зацепление. При вращении рукояток грубой и тонкой настройки происходит подъем и опускание оптической головки относительно стола микроскопа, чем и достигается фокусировка прибора на объект. При рассматривании крупных объемных предметов, помещенных на столе микроскопа, возникает необходимость дополнительного подъема оптической головки. Для этого достаточно отвернуть макрометрический винт – макровинт (расположенный сзади), поднять оптический стереоблок, находящийся на штативе, на нужную высоту, и снова затянуть винт. При этом нужно соблюдать осторожность, чтобы не уронить оптическую головку.

Рис. 1. Внешний вид стереомикроскопа Meiji Techno

Рис. 2. Внешний вид объективов с увеличением 0.5x, 0.75x, 1.0x, 1.5x и 2.0x

В специальном гнезде, имеющемся сверху в корпусе оптической головки, устанавливается окулярная насадка. Окулярная насадка имеет низко расположенные окулярные трубки с регулируемым наклоном от 10 до 50° и регулируемым межзрачковым расстоянием от 52 до 75 мм для удобной, не вызывающей усталости, работы.

Внимание! При изменении межзрачкового расстояния прибора, вращая линзы вместе с оправами объективов, следует держаться за корпуса линз, а не за окулярные трубки. Отвинчивать окулярные трубки категорически запрещается!

С помощью окуляров наблюдатель рассматривает изображение предмета, создаваемое микроскопом.

Общее увеличение микроскопа составляет от 3.75x до 300x.

1.2. Стол и основание стола микроскопа.

Предметный столик — это поверхность, на которой размещают исследуемые предметы. Для обеспечения удобной работы столик микроскопа может перемещаться в горизонтальной плоскости по двум взаимно перпендикулярным осям. Так как увеличение стереомикроскопов, как правило, не очень велико, многие из них не оборудованы препаратоводителем, и перемещение объекта производится вручную.

В верхней стенке стола имеется два отверстия для держателей объектов, с помощью которых объект может закрепляться для придания ему устойчивости.

1.3. Осветители.

Работа со стереомикроскопом ведется обычно в отраженном свете. Осветитель с лампой накаливания или светодиодами закрепляется на корпусе и может поворачиваться для изменения угла освещения. Встречаются бестеневые кольцевые осветители, располагающиеся вокруг объектива стереомикроскопа. Некоторые стереомикроскопы могут комплектоваться дополнительным столиком для работы в проходящем свете. Яркость освещения может регулироваться.

К стереомикроскопу Meiji Techno прилагается кварцево-галогеновый источник света (150 Вт) с регулировкой яркости и фиброоптический осветитель с двумя световодами (рис. 3).

В микроскопах проходящего света (биологических) свет проходит снизу через просвечиваемые препараты, расположенные на стекле. Для исследования при большом увеличении поверхностей или препаратов (металла, минералов, керамики, микросхем и т.д.), не пропускающих свет, применяют микроскоп падающего света (металлографический), в котором свет проходит через объективы и направляется на поверхность объекта.

а б

Рис. 3. Кварцево-галогеновый источник света с регулировкой яркости (а) и фиброоптический осветитель с двумя световодами (б)

Упрощенная оптическая схема стереомикроскопа приведена на рис. 4. Отраженные от объекта 1 лучи проходят через объектив 2, попадают на систему линз (так называемый конденсор Аббе 3), на внутренний объектив 5, затем проходят через призмы 6, линзы 7 и попадают в окуляры визуального наблюдения 8. Плавное движение двух параллельных колонн из восьми увеличительных линз в четырех группах регулируется поворотом револьвера изменения увеличения (ZOOM) C.

Современный цифровой стереомикроскоп комплектуется видеокамерой. Стереоизображение формируется за счет вращения объектива на угол ±45° в горизонтальной плоскости вокруг центра исследуемого объекта и регистрируется видеокамерой. Сигнал с видеокамеры поступает на монитор, где может быть сохранен в виде цифровой фотографии.

Стереомикроскоп сопряжен с системой компьютерного анализа Thixomet Pro, которая позволяет фиксировать изображение и проводить 3D-реконструкцию исследуемой поверхности объекта, количественно определять соотношение вязкой составляющей поверхности излома и т.п.

2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СТЕРЕОМИКРОСКОПА

Высококачественные модульные стереомикроскопы специально разработаны с учетом сложных требований современной микроскопии. Стереомикроскопы Meiji Techno – являются великолепными микроскопическими системами, подходящими для множества разных областей применения. Они пригодны как для учебных целей, так и для технологических работ и лабораторных исследований в медико-биологических и технических направлениях.

Рис. 4. Упрощенная оптическая схема стереомикроскопа:

1 – предметный столик; 2 – объектив; 3 – системы линз (конденсор Аббе); 4 – револьвер изменения увеличения (ZOOM); 5 – внутренний (дополнительный) объектив; 6 – призмы; 7 – линзы Реле; 8 – окуляры

Стереомикроскопы успешно используют люди самых разных профессий: биологи, врачи, геологи, инженеры, стоматологи, ветеринары, палеонтологи, энтомологи, ювелиры, преподаватели, ученые-исследователи, специалисты по контролю качества, судебные эксперты, специалисты по сборке, эксперты по реставрации, специалисты текстильной промышленности, производители проволоки, метрологи, профессионалы в области изготовления инструментов и штампов, специалисты по ремонту плат, представители таможенной службы, производители полупроводников, лесничие, производители фармацевтической продукции, специалисты по гальванопластике, эксперты по баллистике и т.д.

Последние десять лет все больше наших отечественных предприятий ориентируются в сбыте своей продукции на европейский рынок. И в первую очередь это касается предприятий металлургической промышленности и машиностроения. Высокое качество выпускаемой продукции, соответствие отечественным и международным стандартам является определяющим факторов увеличения объема экспорта и развития промышленности. Поэтому контроль материалов и металлопродукции является важным звеном в производственном цикле и определяющим фактором в развитии производства и экономики в целом.

При проведении многих исследований и контроле готовой продукции применяют анализ макро- и микроструктуры металлов и сплавов. Такие исследования проводят в металлографических лабораториях, в том числе – с использованием современных металлографических стереомикроскопов.

Наиболее заметно преимущества стереомикроскопа перед другими микроскопами проявляется в области фрактографии – получении информации о строении изломов (поверхности разрушения) материала. Этот метод используется для контроля качества металлов, изучения механизмов разрушения при различных видах нагружения, установления причин эксплуатационных разрушений деталей машин и элементов конструкций. Применение стереомикроскопа позволяет описать не только качественные, но и количественные характеристики изломов: линейные размеры (рельеф поверхности разрушения, шаг бороздок, размер ямок, граней, фасеток и т.д.), а также долю той или иной составляющей (хрупкой или вязкой) от общей поверхности излома. С помощью встроенных опций «разрез по Z» также определяют рельеф поверхности излома (рис. 5, а), рельеф профилированной поверхности (рис. 5, б) и т. п.

3. ПОРЯДОК РАБОТЫ НА СТЕРЕОМИКРОСКОПЕ:

1) Включить источник освещения.

а

б

Рис. 5. Примеры определения рельефа поверхности

2) Повернуть револьвер с объективами и установить объектив с минимальным увеличением, при этом в револьвере срабо- тает устройство-защелка (слышится легкий щелчок).

3) Глядя в окуляр, добиться наилучшей освещенности.

4) Откалибровать микроскоп (для построения 3D модели), для чего в выпадающем диалоговом окне программы Thixomet PRO указать шаг по оси Z.

5) Установить исследуемый объект на предметный столик таким образом, чтобы он оказался в центре отверстия на предметном столике, и при необходимости – закрепить его с помощью держателей.

6) Глядя в окуляр и медленно вращая макровинт по/против часовой стрелки, опускать/поднимать тубус с объективом до тех пор, пока фокус не будет настроен на самый верхний/нижний фрагмент образца (т.е. пока не покажутся контуры изучаемого объекта) и нажать кнопку «PgDn/PgUp» на клавиатуре. Этим самым указывается направление перемещения по оси Z при построении 3D модели.

7) Используя микровинт, а также работу с осветителями, добиться оптимальной четкости, контрастности и освещенности изучаемого объекта.

8) Зафиксировать изображение на экране монитора компьютера с использованием кнопки «Пробел» на клавиатуре.

9) За счет поэтапного вращения объектива по/против часовой стрелки на угол ±45° в горизонтальной плоскости вокруг центра исследуемого объекта с использованием панорамной съёмки системы Thixomet Pro получить стереоизображение поверхности излома.

10) При переходе к изучению объекта с использованием объективов с высокими показателями увеличения, необходимо отцентрировать объект, т.е. поместить в центр поля зрения ту его часть, которую необходимо исследовать. Для этого, глядя в окуляр, перемещают объект с помощью винтов, пока он не займет нужное положение (если объект не будет центрирован, то при большом увеличении он может оказаться вне поля зрения).

11) Вращая револьвер, перевести в рабочее положение объектив большого увеличения. Используя микровинт, а также работу с осветителями, добиться оптимальной четкости, контрастности и освещенности изучаемого объекта. Получить стереоизображение по методике, описанной выше в п. 8-9.

12) После окончания работы необходимо отключить источник освещения; затем, вращая револьвер, установить объектив самого малого увеличения в рабочее положение и убрать исследуемый объект.

4. УКАЗАНИЯ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ

4.1. Прибор предназначен для работы в помещении без повышенной электроопасности. Условиями, создающими повышенную опасность, являются:

а) повышенная влажность и запыленность воздуха;

б) токопроводящие полы металлические, земляные, кирпичные, железобетонные;

в) температура выше 40°С.

4.2. Регулярно перед включением прибора в сеть проверять сохранность изоляции шнура.

5. ЗАДАНИЯ

1) Изучить оптическую схему и устройство стереомикроскопа Meiji Techno.

2) Изучить и запомнить правила и порядок работы на стереомикроскопе Meiji Techno.

3) Получить коллекцию образцов (изломов) для исследования.

4) Получить изображения поверхности исследуемых объектов (изломов), сохранить их в виде цифровой фотографии на компьютере при увеличениях, указанных преподавателем, и дать их характеристику.

6. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

В отчете указать цель работы, описание принципов устройства и работы стереомикроскопа, привести полученные изображения и их характеристику, сделать вывод о возможностях стереомикроскопа.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1) Какие требования предъявляют к образцам для исследования на стереомикроскопе?

2) Каковы основные принципы работы стереомикроскопа?

3) Назовите основные системы в устройстве стереомикроскопа. Каково их назначение?

4) Как формируется изображение в стереомикроскопе?

5) От чего зависит увеличение микроскопа?

6) В чем заключается принципиальное отличие стереомикроскопа от микроскопа?

7) Назовите области применения стереомикроскопа.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Металловедение и термическая обработка стали: Справоч. изд. В 3-х т./ под ред. М.Л. Берншейна, А.Г. Рахштадта – 4-изд., перераб. и доп. Т.1. Методы испытаний и исследования. В 2-х кн. Кн. 1. – М.: Металлургия, 1991. 304 с.

Изучение устройства и принципов работы стереомикроскопа для исследования поверхности излома: Методические указания к лабораторной работе по дисциплинам «Методы исследования материалов», «Физические свойства материалов», «Современные методы исследования материалов», «Методы контроля и анализа веществ» для студентов технических направлений и специальностей ВУЗа. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013.– 10 с.

Составители: НИКИТЕНКО Ольга Александровна

ЕФИМОВА Юлия Юрьевна

КОПЦЕВА Наталья Васильевна

Дата добавления: 2014-11-16