Optik Mikroskop (OM) Ya Y pıs ı ı ı ve v M erc r e c kle l r

Transkript

1 Optik Mikroskop (OM) Yapısı ve Mercekler

2 Optik Mikroskopi Malzemelerin mikro yapısını incelemek için kullanılan en yaygın araç Kullanıldığı yerler Ürün geliştirme, malzeme işleme süreçlerinde kalite kontrolü için Malzeme hasarlarının sebepleri belirlemek için Malzeme yapısı ile özellikleri arasında ilişki kurmak için

3 Mikroskop Türleri 1. Basit optik mikroskop Tek mercek, 25x; 10 µm çözünürlük 2. Stereoskopik mikroskop Ard arda 2 mercek; 6-8x 3. Compound opt. mikroskop Objektif + Oküler + Yoğunlaştırıcı mercekler; 1300x; 1 µm çözünürlük

4 Kırınım (Işığın Kırılması, Refraction) Optik merceklerin işlevlerinin fiziksel temeli kırılmaya dayanır. Işığın bir ortamdan yoğunluğu farklı başka bir ortama geçerken sapmasına ışığın kırılması denir. Ortamın yoğunluğu kırılma indisi ile tanımlanır. Kırılma indisi, µ şeklinde tanımlanır.

5 Merceklerde ışığın kırılması Kırılma açısı α r gelme açısı α i ye bağlı olduğundan ince kenarlı bir mercek ışığı belirli bir noktaya odaklayabilir (toplayabilir). Merceğin arka ve ön yüzünün simetrik olması şart değildir. Merceğin dışındaki ortamın kırılma indisi µ değiştirilerek odak uzaklığı değiştirilebilir.

6 Dağınım (Dispersion) Işığın kırılma açısı dalgaboyuna bağlıdır. Örneğin mor ışık (λ~400 nm) kırmızı ışığa (λ~700 nm) göre daha büyük açılarda sapar. Gökkuşağı oluşumunun sebebi de budur.

7 Optik Prensipler (İnce Kenarlı Mercek) Objektif Merceği Odak Uzaklığı Işık kaynağı Cisim file 2f arasında Büyütülmüş Görüntü Şekildeki gibi odak uzaklığı f olan bir merceğe göre - u da bulunan bir cismin görüntüsü v de oluşur ve görüntü M kat büyütülür. Yani, ve Büyütme çoklu mercek kullanılarak daha da arttırılabilir.

8 Compound Mikroskopta Büyütme Yoğunlaştırıcı Açıklık Cisim (Örnek Malzeme) Objektif Açıklığı Objektif Mercekleri İlk Görüntü Projektör Mercekleri Ekrana düşen son Görüntü Son Görüntü Işık Kaynağı Yoğunlaştırıcı Mercek Toplam büyütme ayrı ayrı mercek büyütmelerinin çarpımıdır.

9 Okülerli mikroskop Işık projektör merceği yerine oküler merceklerinden geçer ve göz retinasında sanal görüntü oluşturur. Objektif Sanal görüntü genellikle 25 cm uzaklıkta oluşur. Oküler Modern mikroskoplarda projektör ya da

10 Gözün Anatomisi

11 Tam bir görüntileme sistemi olarak GÖZ Göz Bebeği Mercek

12 Gözde görüntü oluşumu (Basitleştirilmiş) Kırılma indisi havaya göre büyük olan bölgeye geçerken ışık normale doğru sapar. Cisim Görüntü İris ayarlanabilir diyafram (açıklık, aperture) dır ve içeriye giren ışığın şiddetini ayarlar Mercek tarafından retina üzerine odaklanan ışık optik sinirler tarafından algılanır Göz merceği ışığı retina üzerine odaklar.

13 Metalografik Mikroskop İnvertedMetalurjiMikroskobu (Metalograf) Aslında bir çeşit compound mikroskoptur. Geçen ışık yerine yansıyan ışık ile görüntü oluşturur.

14 Yansımalı ışık mikroskobunda görüntü oluşumu

15 Büyütmeyi nasıl arttırabiliriz? Cismin konumu yaklaşık sabittir Genellikle objektif merceklerini değiştirerek odak uzaklığını değiştiririz Yüksek büyütmeli mercekler daha kısa odak uzaklığına sahiptirler

16 Çözünürlük Bir optik Mikroskopta Cisim üzerindeki bir noktadan gelen ışık (nokta ışık kaynağı gibi) mikroskoptaki orta görüntü düzleminde Airy diskleri oluşturacaktır.

17 Çözünürlük Bir optik mikroskobun çözünürlük sınırı, bir girişim desenindeki yakın iki Airy diskini ayırt edebilme kapasitesi ile tanımlanır.

18 Abbe eşitliği µ = cisim ile objektif merceği arasındaki ortamın kırılma indisi µ sinα = nümerik açıklık (N.A.) Mikroskobun çözünürlüğünü mikroskop parametrelerinden hesaplamak için kullanılır. Bir optik mikroskobun çözünürlük sınırı nedir?

19 Mikroskobun çözünürlük sınırı (limiti) λ yı 400 nm ye kadar (mor ışık) azaltabilirsiniz. N.A ~1.6 ile sınırlıdır. Optik mikroskop için en yüksek çözünürlük yaklaşık 150 nm (0.15 µm) dolayındadır.

20 Çözünürlüğü nasıl arttırırsınız? Abbe denklemine göre çözünürlüğü artırmak demek r1 i ya da d yi azaltmak demektir. Bunu için, N.A. ı artırmak gerek Kullanılan ışığın dalgaboyunu azaltmak gerek (~400 nm zaten görünür ışık üçün alt sınırdır)

21 Büyütme Compound mikroskopta büyütme her merceğin büyütmesinin çarpımı ile hesaplanır. Etkin Büyütme (M eff ) Bundan daha fazla büyütmeye Boş büyütme denir. Bu sınırın ötesinde büyütme yapılsa bile daha fazla ayrıntı elde edilemez.

22 Parlaklık ve Karşıtlık (Kontrast) Parlaklık = Işık şiddetidir. N.A. ve büyütmeyle ilişkilidir. Karşıtlık (Kontrast): Bir görüntüde, cisimle arka plan arasındaki ışık şiddeti farkıdır. Bir cismin görünebilir olabilmesi için algılayıcının (gözün) kontrast eşiğini geçmesi gerekir.

23 Kontrast Görüntüdeki nüanslar (ince farkların) miktarına denir. Kontrast bilgi verir! Kontrast arttıkça renk tonu azalır ve son olarak sadece siyah ve beyaz kalır. Soğurum kontrastı Kırınım kontrastı Girişim kontrastı

24 Alan Derinliği Görüntünün optik eksen doğrultusunda (en yakın ve en uzak) net olarak görülebilen ayrıntıları arasındaki uzaklık. Çözünürlüğü etkileyen faktörler alan derinliğini de zıt yönde etkiler. Dolayısıyla ikisi arasında tercih yapmak gerekebilir. D f içindeki nesneler keskin (net) görüntülenirler.

25 Optik Performans Çözünürlük ve Alan Derinliği Çözünürlük Alan derinliği Büyük alan derinliği ve yüksek çözünürlük aynı anda elde edemezsiniz

26 Optik Performans Çözünürlük ve Alan Derinliği Optik mikroskoplarda α yaklaşık 45 dir. Bu nedenle D f çözünürlükten çokta farklı değildir.

27 Alan Derinliğini nasıl arttırabilirsiniz? 1. Aperture diyaframını kısarak (kapatarak) N.A. ı azaltabilir ya da düşük N.A. lı objektif mercek kullanabilirsiniz 2. Sabit N.A. için büyütmeyi azaltabilirsiniz 3. Yüksek büyütmeli oküleri, düşük büyütmeli ve büyük N.A. lı objektif mercekle kullanabilirsiniz 4. Mümkün olan en uzun dalgaboylu ışığı kullanabilirsiniz

28 Odak Derinliği Sabit bir cismin üzerinde odak içinde kalan görüntü düzlemleri arasındaki mesafedir. Genellikle alan derinliği ile karıştırılır. Alan derinliği kadar önemli değildir. Odak derinliği alan derinliğinin M 2 katı (M 2 ile çarpımı) dır.

29 Optik sistemlerin kusurları Kabuller: Mikroskobun tüm bileşenleri mükemmel olsun Bu durumda cisim üzerindeki herhangi bir noktadan gelen ışık görüntü üzerinde benzer tek bir noktaya odaklanacaktır. Ama mercek kusurları nedeniyle bu imkansızdır.

30 Kromatik kusur Mercek Kusurları Küresel kusur Astigmatizm

31 Kromatik Kusur Işık kırılma açısı (sapma miktarı) dalgaboyuna bağlıdır. Işık mercekten geçerken dalgaboyuna göre farklı açılarda kırılır. Dalgaboyu kısaldıkça sapma artar. Beyaz ışığın içerdiği dalgaboyu aralığına göre odaklanmada dağılma olacaktır.

32 Küresel Kusur Merceğin optik eksene uzak noktalarından gelen ışınlar merkezden gelen ışınlara göre merceğe daha yakın noktaya odaklanacaktır. Çünkü cisimden gelip mercek tarafından odaklanan tüm ışınların kat ettiği yolların uzunluğu eşit olmak zorundadır.

33 Astigmatizm Mercek içinde yatay ve düşey yönde geçen ışınlar farklı düzlemlerde odaklanırlar. Astigmatism merceğin yatay ve düşey doğrultularda farklı optik özellik göstermesinden kaynaklanır.

34 Kusurları Azaltmak Farklı şekillerde ve kırılma indislerine sahip mercekleri set halinde birleştirilerek küresel ve kromatik kusurlar azaltılabilir. Tek dalgaboylu ışıkkaynağı kullanarak kromatik kusur yok edilebilir. Sonuç olarak; ne kadar az kusur o kadar çok para!!

35 Başlıca Bileşenler: Mikroskop Bileşenleri 1. Aydınlatma Sistemi 2. Objektif: Tek ya da çoklu mercek takımı, cisme yakın set 3. Oküler: Tek ya da çoklu mercek takımı, göze yakın set 4. Veri toplama sistemi: Kamera 5. Örnek tablası 6. Ayrıca; çeşitli diyaframlar, aynalar, prizmalar

36 Mikroskop Bileşenleri

37 Lambalar Tungsten-flament Aydınlatma Sistemi Kuartz/tungsten-halogen ampüller Xenon lamba D.C. karbon arc lambası

38 Objektif Merceği Örnekten saçılan ışığı toplayarak mikroskop içinde ilk/birincil görüntüyü oluşturur. Örneğe en yakın mercektir ve büyütmeyi değiştirmek için objektif merceği/seti değiştirilir. Objektifin değerini N.A. belirler. N.A. ışık toplama kapasitesinin ölçüsüdür. kırılma indisi merceğe giren ışık konisinin yarı açısı

39 Projektör Merceği Projektör merceği ve Oküler Fotoğraf makinesi / Kamera üzerinde büyütülmüş görüntü oluşturur. (Gerçek görüntü) Oküler Objektif tarafından oluşturulan birincil görüntüyü daha büyüterek göz üzerinde görüntü oluşturur. (Sanal görüntü)

40 Kaynaklar 2- Y. Leng, Materials Characterization, (2008), Wiley, Hoboken, NJ 3- D. Brandon and W. D. Kaplan, Microstructural Characterization of Materials, (2008), Wiley