Рудный микроскоп рассчитан на исследование непрозрачных объектов – полированных шлифов руд, освещаемых сверху (со стороны объектива). Он сходен с петрографическим по системе линз, наличию поляризатора и анализатора и различных диафрагм, но изображение объекта создается лучами, отраженными от полированной поверхности аншлифа (рис. 2.1). Поэтому минераграфические исследования называют исследованиями в отраженном свете.
Рис. 2.1. Схематическое строение рудного микроскопа в разрезе. По [Воган, Крейг, 1983].
2.1.Объективы и окуляры
Микроскоп является оптическим устройством и состоит преимущественно из линз, сосредоточенных в объективах и окулярах. Для понимания работы микроскопа используют следующие термины и понятия (рис. 2.2):
Рис. 2.2. Схема хода лучей в собирающих линзах. По [Бергнер и др., 1977].
Объектив микроскопа формирует на определенном расстоянии (расчетная оптическая длина тубуса для данного объектива) за своим фокусом действительное изображение объекта, которое наблюдается через окуляр микроскопа, как через лупу. При правильной фокусировке для наблюдателя действительное промежуточное изображение, полученное с помощью объектива, находится в фокальной плоскости окуляра, и поэтому наблюдаемое изображение находится как бы в бесконечности. Большинство объективов дают первичное изображение в несколько искривленной плоскости, т.е. возникают ошибки или аберрации в передаче изображения.
Сферическая аберрация вызвана различием в ходе лучей в центральной и краевых частях линзы (рис. 2.3). Если на простую собирающую линзу падает широкий пучок лучей, параллельных оси, то лучи, проходящие через различные концентрические зоны линзы, будут пересекать ось в различных точках. Чем дальше от оси находится данная зона линзы, тем короче фокусное расстояние этой зоны. Каждая зона образует свой особый фокус. В результате изображение растягивается вдоль оси и на периферии поля зрения окружено нерезкой каймой. Эта ошибка изображения обусловлена формой линзы.
Рис. 2.3. Сферическая аберрация.
Рис. 2.4. Хроматическая аберрация.
Хроматическая аберрация возникает вследствие того, что лучи света разной длины волны (цвет) преломляются линзой по-разному. В результате, лучи различных длин волн в пространстве изображения имеют различные точки фокуса (рис. 2.4).
Хроматическая разница масштабов отображения возникает тогда, когда фокусы для лучей различных цветов не совпадают, а главные точки совпадают. Поэтому фокусные расстояния и масштабы отображения для лучей отдельных цветов при определенном фокусном расстоянии различны.
Сферическая и хроматическая аберрации, присущие многим объективам, уменьшаются путем сочетания нескольких линз из разного стекла. По степени исправленности аберраций объективы различаются на ахроматы, апохроматы, монохроматы, планобъективы.
Ахроматы (от греческого «achromatos» – бесцветный) состоят из системы линз подобранных таким образом, чтобы устранить хроматическую аберрацию. В этом типе объективов фокальные точки для красного и голубого цветов совпадают, при этом сферическая аберрация устранена только для средней желто-зеленой части спектра, и полученное изображение несколько размыто в периферической части.
В апохроматах устранены хроматические аберрации для трех цветов (красного, зеленого и синего) спектра, а сферические – для двух цветов (синий и зеленый). Остаточные искажения практически незначительны, так что у апохроматических объективов коррекция распространяется на всю видимую область спектра. Поскольку апохроматы обладают хроматической разностью увеличения, их следует применять в сочетании с соответствующими проекционными системами, компенсирующими этот дефект (компенсационные окуляры или компенсационные проекционные объективы). Апохроматы тоже искривляют поле зрения.
Монохроматы представляют собой объективы микроскопов, в которых аберрации устранены для одной длины волны или очень узкой области спектра. Из-за этого ограничения монохроматы используются только в специальных случаях.
Ошибка поля зрения устранена у планобъективов. Обычно они коррегированы для полей зрения (средний диаметр изображения) диаметром 20–28 мм. Планобъективы выпускаются как с ахроматической, так и с апохроматической коррекцией. В них сохраняется хроматическая разность увеличения, поэтому их следует применять с компенсационным окуляром. Целесообразно сочетание планобъективов со специально для них рассчитанными планокулярами (окуляры большого поля или широкоугольные окуляры), с помощью которых расширяется световое поле объектива.
Увеличение объектива означает, в какой степени увеличивается изображение, когда свет проходит через объектив. Объективы для световых микроскопов по увеличению различаются от 2.5 до примерно 125-кратных. Объективы различаются по мере способности разрешать тонкие детали структуры. Разрешающая способность определяет качество получаемого в микроскопе изображения, т.е четкость выявления деталей. Разрешающая способность зависит от исправленности объектива в отношении сферической и хроматической аберраций и, главным образом, от апертуры (от лат. «apertura» – отверстие оптического прибора). В оптике апертура определяется размерами линз или диафрагмами. Угловая апертура – угол между крайними лучами конического светового пучка, входящего в систему (рис. 2.5). Числовая или нумерическая апертура определяет глубину фокуса и полезную степень увеличения. Математически числовая апертура лежит в пределах от 0.04 до 1.3 и равна:
A = n × sinα,
где n – показатель преломления среды, в которую погружен объектив, α – угол, равный половине угловой апертуры данной линзы. Величина апертуры выгравирована на оправе объектива. Числовая апертура апохроматов выше, чем ахроматов. Предельным значением для сухих объективов является 0.95, а для иммерсионных (с n = 1.5) увеличивается до 1.4.
Применяемые для минераграфических исследований объективы низких и средних увеличений относятся, как правило, к сухим или воздушным системам, которые рассчитаны на наличие между объективом и образцом воздуха. Иммерсионные объективы часто используются при больших увеличениях и необходимости высокого разрешения. В этом случае между образцом и объективом помещают каплю иммерсионного масла. Присутствие иммерсионной среды уменьшает отражение минерала, но повышает различие в цвете, снижает диффузное рассеяние света и обычно позволяет наблюдать слабые эффекты анизотропии и двуотражения, которые не видны с сухими объективами.
Рис. 2.5. Апертура объектива. По [Воган, Крейг, 1983].
У.А. – угловая апертура, С.Р.Р. – свободное рабочее расстояние.
Для исследований в отраженном свете применяются объективы, отличающиеся от объективов для проходящего света. Выпускаемые сегодня объективы относятся к серии, так называемой ICS-оптики (Infinity Color-corrected System). Эти объективы проецируют изображение на «бесконечность», и лишь тубусная линза создает промежуточное изображение. Световые лучи в такой «бесконечной оптике» проходят параллельно между объективом и тубусной линзой. Фильтры и рефлекторы могут использоваться без дополнительных оптических элементов. Объективы и тубусные линзы создают совместно в конечном итоге полностью скоррегированное промежуточное изображение. Классические микроскопы с «конечной оптикой» требуют значительного улучшения окуляров.
Вся необходимая информация об объективе гравируется на его оправе. Обычно указываются следующие параметры:
- увеличение и числовая апертура. Например, объектив 40´/0.65 имеет увеличение 40 крат и числовую апертуру 0.65;
- дополнительная буквенная маркировка, если объектив используется при различных методах исследования и контрастирования. Например, иммерсионные объективы могут маркироваться как Oil или МИ;
- маркировка типа оптической коррекции. Например, апохромат – АРО, планахромат – PL или Plan, планапохромат – Plan-Аро;
- для объективов, сконструированных для «классической» конечной оптики, пишется оптическая длина тубуса, а ICS-оптика маркируется символом бесконечности; маркировка объективов, скоррегированных на покровные стекло, содержит индекс 0.17 (толщина покровного стекла), а без коррекции – символ 0. Например, надпись ¥/0 обозначает, что оптика «бесконечная», и коррекция на покровное стекло не введена (т.е. объектив предназначен для наблюдений в отраженном свете).
В комплект микроскопа входят окуляры (рис. 2.6), предназначенные для передачи созданного объективом действительного изображения в глаз наблюдателя или для проектирования промежуточного изображения на плоскость изображения фотокамеры или проекционный экран. По своему функциональному назначению окуляры разделяются на обычные (окуляр Гюйгенса) и специальные.
Рис. 2.6. Разрез окуляра.
1 – положение промежуточного изображения; 2 – ограничение полезного поля зрения; 3 – окулярная оптика; 4 – положение зрачка окуляра – зрачок глаза наблюдателя; 5 – фокусирующее кольцо.
Обычные окуляры по системе Гюйгенса предназначены для работы со слабыми и средними ахроматами. Они состоят из двух линз – нижней (коллектора) и верхней (глазной), между которыми расположена диафрагма. Глазная линза сфокусирована на кромку диафрагмы, поэтому улавливаемое глазом мнимое изображение оказывается резко ограниченным изображением диафрагмы. Таким образом определяется величина объективного поля зрения микроскопа. Окуляры Гюйгенса обычно в плоскости диафрагмы снабжаются крестом нитей. На этом месте можно также установить и вспомогательные средства, например, индексы, координатные сетки и окулярные масштабные пластинки.
Специальные окуляры (компенсационные, планокуляры, кварцевые окуляры) обладают особыми оптическими свойствами, необходимыми для конкретных случаев. Компенсационные окуляры предназначены для работы с апохроматами, но их можно применять и с ахроматами, преимущественно с теми, чья численная апертура больше 0.65. Такие окуляры компенсируют хроматическую разность увеличений.
Даже самые совершенные объективы и окуляры Гюйгенса дают сферическую аберрацию. Для ее устранения создан ортоскопический (планатический или перипланатический) окуляр, который используется в основном в микрофотографии.
Микрометрический окуляр, снабженный линейкой, предназначен для измерения в шлифе размеров зерен.
Увеличение микроскопа зависит от увеличения объектива и окуляра и определяется как их произведение. Увеличение при проецировании зависит от расстояния между окуляром и экраном. Общее увеличение микроскопа определяется (правило Аббе) разрешающей способностью объектива, т.е. его апертурой, и должно находиться в пределах от 500 до 1000A. Исключение из этого правила делается для малых увеличений и при микрофотографии.
2.2.Опак-иллюминатор и осветитель
Основной деталью, отличающей рудный микроскоп от петрографического, является опак-иллюминатор (рефлектор) (рис. 2.7). Учитывая равенство угла падения и угла отражения, можно сказать, что источник освещения объекта должен находиться над препаратом. Опак-иллюминатор устанавливается между нижним торцом тубуса и объективом, именно с его помощью свету придается вертикальное направление, и он падает на полированную поверхность образца. Существует два типа опак-иллюминаторов: призматический и пластинковый. Призматический опак-иллюминатор представляет собой призму полного внутреннего отражения (рис. 2.7а). Потери падающего света в этом случае отсутствуют. Но апертура используется только наполовину, в результате чего происходит снижение четкости изображения. Пластинковый опак-иллюминатор представляет собой тонкое стекло, ориентированное под углом 45o к оси микроскопа (рис. 2.7б). Падающий на стекло свет частично отражается, частично пропускается и поглощается тубусом. На обратном пути опять часть лучей отражается, а часть уходит к окуляру. Для пластинкового опак-иллюминатора свойственно ослабление света, но рабочее отверстие объектива полностью открыто, и апертура используется полностью.
Рис. 2.7. Системы опак-иллюминаторов. По [Юшко, 1984].
а) система устройства опак-иллюминатора по Нишетту, 1 – призма; б) система устройства опак-иллюминатора по Бекке, 2 – стеклянная пластинка.
Опак-иллюминатор снабжается специально рассчитанным осветителем (рис. 2.8), в конструкцию которого входят лампа (1), коллекторная линза (2), апертурная диафрагма осветителя (3), полевая диафрагма осветителя (5), линза осветителя (6). Для специальных наблюдений в схему осветителя могут быть добавлены поляризатор (4), светофильтры.
Рис. 2.8. Схематическое строение осветителя. По [Воган, Крейг, 1983].
1 – лампа, 2 – коллекторная линза, 3 – апертурная диафрагма осветителя, 4 – поляризатор, 5 – полевая диафрагма осветителя, 6 – линза осветителя, 7 – рефлектор.
Для правильного освещения аншлифа необходимо, чтобы изображение апертурной диафрагмы осветителя проецировалось непосредственно над объективом микроскопа (так называемом, зрачке объектива), а изображение диафрагмы поля зрения – в плоскости объекта.
В этом заключается классический способ освещения по Келеру, который был предложен в1893 г. и используется до настоящего времени. Проекции диафрагм создаются с помощью линз, помещаемых между источником света и отклоняющим приспособлением. Апертурная диафрагма регулирует освещенность путем изменения апертуры (отверстного угла). При регулировании отверстия апертурной диафрагмы нужно иметь в виду, что чрезмерно закрытая диафрагма снизит разрешающую способность объектива. Полностью открытая диафрагма дает размытое изображение объекта вследствие наложения световой вуали. Особенно важна регулировка при использовании пластинкового опак-иллюминатора при больших увеличениях, микрофотографии, а также скрещенных николях. Диафрагма поля зрения служит для ограничения поля зрения. Сила освещения и разрешающая способность не зависит от положения диафрагмы, но при этом увеличивается контрастность.
Обычными источниками света, используемыми в световой микроскопии, являются лампы накаливания, реже используются газоразрядные лампы (ХВО). Различные типы источников света отличаются друг от друга не только интенсивностью, но и своими спектральными характеристиками (рис. 2.9).
Рис. 2.9 Спектры излучения обычных источников.
При характеристике источников света важным параметром является цветовая температура. Этот параметр используется для приближенного описания относительного распределения интенсивности в видимой области спектра излучения тел, мало отличающихся от серых тел. Цветовая температура вольфрамовой нити накаливания варьирует от 2850 K у ламп 6 В/15 Вт до 3300 K у галогенных ламп 12 В/100 Вт. Это намного ниже цветовой температуры (6100 K) ксеноновых газоразрядных ламп. Если применять лампы накаливания без фильтров, то это приводит к смещению окрасок, наблюдаемых под микроскопом, в сторону желтого и красного цветов. Знание цветовой температуры источника важно при микрофотографировании, а также при количественных измерениях цвета, так как наблюдаемая окраска есть функция источника. Ртутные лампы высокого давления дают очень интенсивный свет с высокой долей УФ-излучения. Кроме того, спектр таких ламп дискретный, излучаемая световая энергия концентрируется при линиях ртути. При работе с такими лампами следует быть осторожным: не следует смотреть на прямой интенсивный свет и подвергать кожу прямому излучению.
2.3.Поляризатор. Анализатор.
При прохождении луча света через поляризатор он поляризуется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Если один из поляризованных лучей при этом будет абсорбироваться, то на выходе из поляризатора будет свет, поляризованный в одной плоскости. В поляризаторах, состоящих из поляроидных пленок, используется именно этот принцип. Каждая пленка представляет собой тонкий слой нитроцеллюлозы, покрытый ультрамикроскопическими игольчатыми кристалликами, у которых кристаллографические оси ориентированны параллельно друг другу.
Поляризацию, возникающую при двупреломлении без абсорбции, также применяют для получения плоскополяризованного света путем использования призмы николя. Эта призма изготавливается из кальцита с таким расчетом, чтобы одна группа лучей, возникающих при двупреломлении, отклонялась и поглощалась оправой. Интенсивность света и в первом, и втором случае падает.
В стандартном рудном, как и в петрографическом микроскопах, используется два поляризующих устройства. Поляризатор устанавливается в осветительной системе, а в тубусе между объективом и окуляром – анализатор. Они ориентированы так, что плоскости поляризации света, проходящего через них взаимно перпендикулярны. Поляризатор при работе с геологическими препаратами, как правило, введен в ход лучей. Анализатор вводится в ход лучей при изучении таких оптических свойств как анизотропия и поляризационные окраски (см. главу 1) и в этом случае говорят о скрещенности николей.
2.4.Дополнительные принадлежности к микроскопу
Светофильтры являются вспомогательными оптическими принадлежностями к микроскопу и имеют различное целевое назначение. Характеристики фильтров, которые необходимо учитывать в работе, включают в себя:
- длина волны l
max
, при которой коэффициент пропускания фильтра достигает максимального значения;
- ширина полосы пропускаемого излучения, определяемая полушириной разности длин волн, при которой коэффициент пропускания фильтра уменьшается до половины своего максимального значения;
- коэффициент фильтрации.
Светофильтры обычно устанавливаются в осветителе. Синий фильтр убирает желтизну, присущую объектам при освещении их обычной лампой накаливания. Оранжевый светофильтр используется при некоторых специальных наблюдениях, когда цвет или цветовой оттенок не должен приниматься во внимание. Желтый или оранжевый светофильтры используются для приблизительной оценки отражения исследуемого минерала путем сравнения его с эталоном. Использование желто-зеленого и желтого фильтра снижает влияние синих лучей и также убирает хроматические аберрации у ахроматов.
Светофильтры применяются и для микрофотографии. К черно-белой микрофотографии руд предъявляются особые требования: правильная градация степеней светлоты должна передать зрительное восприятие пестрой цветной картины на бесцветном изображении объекта. При работе с цветными фотографическими пленками следует учитывать цветовую температуру источника света. Коррекция осуществляется с помощью конверсионного светофильтра, созданного для введения основных поправок в цветовую температуру освещения.
Светофильтры дополнительной окраски используются тогда, когда в ущерб правильной цветопередаче, хотят выделить детали структуры. Окраска светофильтра является дополнительной к окраске выделяемой детали. Например, желтая деталь (халькопирит) на фоне белого (галенит) лучше проявлена при использовании синего фильтра.
Вращающийся столик необходим для наблюдения свойств анизотропии и двуотражения, а также для проведения угловых измерений. Прикрепляемый к нему препаратоводитель способствует изучению и подсчету количества зерен точечным методом.
2.5.Модели микроскопов. Настройка освещения.
Технический прогресс последних десятилетий в значительной мере коснулся и оптических систем. Крупным успехом явилось введение просветленной оптики, различных оптических приспособлений для количественного изучения оптических свойств. Фирмы – их производители микроскопов стремятся создать оригинальную конструкцию прибора, поэтому работа с конкретной моделью требует изучения руководства по использованию. Передовыми производителями микроскопов для отраженного света являются фирмы Zeiss, Leica, Olympus, Nikon. В России микроскопы отраженного света ПОЛАМ Р-312 выпускаются Санкт-Петербургским оптико-механическим заводом ЛОМО (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Микроскоп ПОЛАМ Р-312 (производство ЛОМО, г. Санкт-Петербург).
Качество изображения в микроскопе в значительной степени зависит от освещения, поэтому настройка освещения является важной операцией, предваряющей работу. Настройка включает в себя следующие процедуры:
1) установление объекта на предметный столик;
2) включение осветителя;
3) введение в ход лучей пластинкового опак-иллюминатора;
4) установление объектива со средним увеличением и фокусировка микроскопа на резкое изображение объекта;
5) проверка центрировки объектива и при необходимости его центрирование;
6) выключение анализатора из хода лучей;
7) прикрывание полевой диафрагмы на 1/3 поля зрения, получение ее резкого изображения и центрировка диафрагмы относительно центра перекрестия окуляра. Открытие полевой диафрагмы по полю зрения окуляра;
8) введение в ход лучей линзы Бертрана и ее фокусировка на резкое изображение выходного зрачка объектива. Центрировка изображения выходного зрачка объектива относительно центра перекрестия окуляра;
9) прикрытие апертурной диафрагмы на 1/3 изображения выходного зрачка; фокусировка линзы Бертрана на резкое изображение апертурной диафрагмы; центрировка изображения апертурной диафрагмы относительно изображения выходного зрачка объектива; открытие апертурной диафрагмы по зрачку;
10) получение резкого изображения нити накаливания лампы в выходном зрачке объектива и полного его заполнения;
11) выключение линзы Бертрана из хода лучей микроскопа.
Вопросы для самопроверки
1. Каковы основные отличия рудного микроскопа от петрографического?
2. В чем особенность объектива для отраженного света (по сравнению с объективом для проходящего света)?
3. Что понимается под сферической и хроматической аберрациями, чем они характеризуются?
4. В чем особенность ахроматов?
5. От чего зависит разрешение микроскопа?
6. От чего зависит нумерическая апертура объектива?
7. Увеличение микроскопа. Правило Аббе.
8. Каково общее увеличение микроскопа оснащенного ахроматическим объективом ´40 и окуляром ´12.5?
9. Каково увеличение микроскопа с объективом ´10 и окуляром ´8 при апертуре объектива 0.25?
10. Перечислите разновидности окуляров, их достоинства и недостатки.
11. Охарактеризуйте опак-иллюминатор призматический и пластинковый.
12. Какова роль поляризатора в рудном микроскопе?
13. Применение светофильтров в рудной микроскопии.
14. Какова роль иммерсии в работе с рудным микроскопом?