Giới thiệu

Kính hiển vi với nguồn sáng phản xạ chủ yếu được sử dụng để kiểm tra các mẫu vật mờ đục mà các kỹ thuật ánh sáng truyền qua thông thường không thể tiếp cận được. Một vật liệu được coi là mờ đục nếu một phần mỏng có độ dày khoảng 25 micromet không trong suốt trong phạm vi phổ ánh sáng khả kiến ​​trong khoảng từ 450 đến 650 nanomet. Một loạt các mẫu vật thuộc loại này, bao gồm kim loại, than đá, gỗ, xỉ, đá, nhựa, hợp kim, vật liệu tổng hợp và xương. Nhiều mẫu vật mờ đục và trong suốt có đặc điểm biên độ hoặc pha rõ rệt. Các thành phần riêng lẻ của các mẫu có biên độ khác nhau về lượng hấp thụ ánh sáng, trong khi các mẫu có pha chỉ khác nhau ở chiết suất của các đặc điểm riêng lẻ. Trong thực tế không có mẫu có biên độ hoặc pha thuần túy mà đặc tính này hoặc đặc tính kia chiếm ưu thế. Mẫu vật mờ đục được coi là mẫu vật pha nếu chênh lệch phản xạ giữa các đặc điểm riêng lẻ dưới khoảng 10%. Trong phần này, chúng ta thảo luận về các cơ chế và cấu hình quang học khác nhau được sử dụng để đạt được độ tương phản trong kính hiển vi với nguồn sáng phản xạ.

Trong cấu hình tiêu chuẩn của nó, một kính hiển vi nguồn sáng phản xạ điển hình được trang bị sẵn để kiểm tra các mẫu biên độ (sự hấp thụ) bằng cách sử dụng ánh sáng tới trường sáng. Các mẫu hấp thụ tự nhiên được phân biệt với các mẫu pha được chuyển thành mẫu hấp thụ bằng cách xử lý hóa học, chẳng hạn như khắc và đánh bóng mẫu hoặc phủ lên bề mặt một lớp mỏng, trong suốt có độ khúc xạ cao. Được trình bày trong Hình 1 là các hình ảnh kỹ thuật số có nguồn sáng phản xạ cho thấy chi tiết về một tính năng nhỏ được cố ý đặt trên bề mặt chip máy tính bằng cách sử dụng kim loại bay hơi trong giai đoạn chế tạo. Hình 1(a) hiển thị đặc điểm trong trường sáng, trong khi Hình 1(b), 1(c) và 1(d) lần lượt hiển thị cùng một trường nhìn trong trường tối, ánh sáng phân cực và độ tương phản giao thoa vi sai (DIC) . Lưu ý những khác biệt đáng kể về độ tương phản có thể đạt được bằng cách sử dụng các kỹ thuật này.

Khắc hóa học là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tạo độ tương phản cho mẫu kim loại. Trong kính hiển vi với nguồn sáng phản xạ sử dụng chiếu sáng trường sáng, các cấu trúc khắc của mẫu được đánh bóng trở nên nhìn thấy được do hiệu ứng bóng được tạo ra bởi nhiều cơ chế khác nhau, chẳng hạn như sự hình thành các phù điêu, phản xạ do các lớp phủ hoặc hiệu ứng phản xạ phát sinh từ các hố khắc. Việc chú ý cẩn thận đến từng chi tiết trong quá trình chuẩn bị mẫu là rất quan trọng để tránh tạo tác hoặc hiểu sai về dữ liệu thu được. Trong hầu hết các trường hợp, mẫu vật được chuẩn bị mới, được mài và đánh bóng chính xác là cần thiết để quan sát và ghi lại các đặc điểm quan trọng cần quan tâm. Quá trình ăn mòn có thể được thực hiện bằng các tác nhân hóa học, ăn mòn điện phân, ăn mòn nhiệt trong môi trường bình thường hoặc trong chân không hoặc khí trơ. Cần thận trọng khi áp dụng phương pháp khắc hóa học. Quá trình này thường làm hỏng các thành phần cấu trúc của mẫu được đánh bóng, nơi các tinh thể nhỏ bị mất đi. Trong những trường hợp này, mẫu vật chỉ có thể hiển thị các ranh giới tinh thể, không phân biệt được theo sự thay đổi pha.

Có thể tránh được sự hư hại của mẫu và mất sự phân biệt pha bằng cách áp dụng các lớp giao thoa bay hơi cho mẫu. Kỹ thuật vật lý thuần túy này sử dụng chất khúc xạ mỏng, trong suốt (như titan dioxide, kẽm selenide hoặc kẽm Telluride) tương thích với các pha của mẫu, có thể bay hơi trên bề mặt được đánh bóng. Nhiều phản xạ và hiệu ứng giao thoa do màng bay hơi tạo ra làm tăng độ tương phản để mẫu có thể được kiểm tra trong ánh sáng phản xạ trường sáng. Trong số các thông số quan trọng cần xem xét khi phủ mẫu là chiết suất của pha mẫu, chiết suất và độ dày của màng bay hơi và bước sóng ánh sáng được sử dụng để chụp ảnh. Trong nhiều trường hợp, chiếu sáng đơn sắc được ưa chuộng hơn ánh sáng trắng băng thông rộng. Một bộ lọc nhiễu có thể được lắp vào đèn chiếu dọc để đạt được độ sáng với màu sắc hoặc dải bước sóng cụ thể.

Độ tương phản có thể được tăng cường theo từng pha, ví dụ như trên bề mặt kim loại được đánh bóng, sử dụng buồng phản ứng khí-ion. Kỹ thuật này sử dụng khí dư được ion hóa bằng chiếu xạ điện tử sao cho bề mặt mẫu thử tiếp xúc với khí trong buồng chân không. Khi oxy được sử dụng làm khí dư, các pha mẫu khác nhau tạo thành các lớp oxit làm phát sinh màu sắc do sự hấp thụ và giao thoa khi kiểm tra trong ánh sáng phản xạ trường sáng. Mức độ tăng cường độ tương phản bị ảnh hưởng bởi loại khí dư, áp suất chân không, mật độ dòng điện tử phát ra từ cực âm, điện áp phóng điện và nhiệt độ của bề mặt mẫu thử. Có thể tránh nhiễm bẩn bằng cách làm nóng mẫu, giảm mật độ dòng điện và sử dụng ion oxy trong buồng. Kỹ thuật này cũng có thể được áp dụng cho các mẫu phi kim loại để tạo độ tương phản cho vật liệu nói chung. Nói chung, các mẫu được khắc và phủ có thể được quan sát bằng cách sử dụng các vật kính phản xạ có khoảng cách làm việc dài tiêu chuẩn.

Kính hiển vi chiếu sáng trường tối

Chiếu sáng bằng ánh sáng phản xạ trường tối đặc biệt hữu ích để phát hiện các vết nứt và ranh giới hạt trong các mẫu vật bán đục. Các sản phẩm oxy hóa thường có màu sắc nội tại đặc trưng và chất lượng của mẫu được đánh bóng có thể được đo bằng cách sử dụng ánh sáng trường tối. Trên nền tối, các vết xước khi đánh bóng xuất hiện dưới dạng các đường sáng. Trong chiếu sáng trường tối, chỉ các mặt sóng phát sinh do phản xạ tán xạ bởi các phần tử cấu trúc trong mẫu vật mới có thể đi vào vật kính. Những mặt sóng phản xạ bởi các phần tử bề mặt được đặt vuông góc với trục quang của kính hiển vi không chạm tới vật kính và các vùng này vẫn tối. Cấu hình thiết bị có một đĩa che mờ đục được đặt vào đường dẫn ánh sáng trong đèn chiếu thẳng đứng sao cho chỉ các mặt sóng ngoại vi mới chạm tới gương lệch phía trên vật kính. Sóng phản xạ bởi gương truyền qua một vòng rỗng bao quanh vật kính và dùng để chiếu sáng mẫu vật (xem Hình 2) ở các góc xiên lớn.

Kính hiển vi chiếu sáng trường tối chứa một đèn chiếu thẳng đứng tiêu chuẩn trong đó ánh sáng bị lệch xuống phía vật kính thông qua cụm bậc gương và một gương khác có lỗ hình bầu dục (xem Hình 2). Sau khi các mặt sóng phản xạ đi qua một ống bọc bên trong thùng trang trí vật kính, chúng tác động lên một gương lõm hình vòng hướng chúng về phía bề mặt mẫu vật ở góc tới cao. Các thành phần quang học của vật kính không đóng góp vào việc chiếu sáng mẫu vật. Ngoài ra, chỉ những mặt sóng được phản xạ khuếch tán bởi bề mặt mẫu vật mới chạm tới thành phần thấu kính vật kính phía trước và đóng góp ít nhiều vào độ tương phản trong hình ảnh trường tối. Độ tương phản cao nhất đạt được khi nền màu đen và các đặc điểm cấu trúc (chẳng hạn như ranh giới hạt) được quan sát dưới dạng các thực thể sáng. Lưu ý rằng trong kính hiển vi nguồn sáng phản xạ trường tối, các màng chắn sáng và khẩu độ trong đèn chiếu thẳng đứng phải được mở đến điểm rộng nhất của chúng để chùm ánh sáng chiếu vào cụm gương không bị chặn một phần. Hình ảnh trong Hình 2(b) là hình ảnh ánh sáng phản chiếu trường tối của bề mặt của chip máy tính vi xử lý.

Kính hiển vi nguồn sáng phản xạ hiện đại được trang bị các phụ kiện để chiếu sáng trường tối mang đến nhiều cải tiến. Trong số này có khả năng dựng hình ảnh tạo ra các chữ cái không bị đảo ngược (đặc biệt quan trọng trong công nghệ bán dẫn) khi chụp ảnh hoặc chụp ảnh kỹ thuật số. Các tính năng quan trọng bổ sung hiện diện trên bề mặt mẫu vật cũng được định vị theo đúng hướng trong hình ảnh bằng kỹ thuật hình ảnh dựng đứng. Việc hầu hết các nhà sản xuất chuyển sang hệ thống quang học hiệu chỉnh vô cực giúp loại bỏ hình ảnh loạn thị thường được tạo ra do sử dụng gương bán phần, đặc biệt khi các thành phần phụ trợ được thêm vào đường dẫn quang. Vật kính trường sáng và trường tối được hiệu chỉnh vô cực do một số nhà sản xuất cung cấp mang lại trường nhìn hiệu quả tăng lên và khoảng cách làm việc rộng để nâng cao hiệu suất quang học, đặc biệt là khi kết hợp với thị kính có trường nhìn cực rộng. Hệ thống chiếu sáng mới tiên tiến giúp chuyển đổi nhanh chóng và dễ dàng giữa nguồn ánh sáng vonfram-halogen và thủy ngân hoặc xenon năng lượng cao để cung cấp ánh sáng tối ưu cho các mẫu vật trường tối mờ. Ngoài ra, một số kính hiển vi nguồn sáng phản xạ có các thành phần quang học bên trong cung cấp khả năng phóng đại thu phóng tích hợp để hỗ trợ lấy nét và cho phép phóng đại trung gian.

Những tiến bộ gần đây trong kính hiển vi nguồn sáng phản xạ chủ yếu được thúc đẩy bởi ngành công nghiệp bán dẫn, khoa học vật liệu và sự phát triển bùng nổ của kính hiển vi huỳnh quang dùng trong chẩn đoán y tế và khoa học tế bào. Khả năng chiếu sáng trường tối để lộ đường viền, cạnh, ranh giới, vết xước, lỗ kim và độ dốc chỉ số khúc xạ cung cấp một phương tiện để bổ sung cho các dạng kính hiển vi khác bao gồm trường sáng, độ tương phản giao thoa vi phân, độ tương phản điều chế Hoffman và kỹ thuật ánh sáng phân cực. Khi kết hợp với nhau, những kỹ thuật tăng cường độ tương phản này thường có thể dẫn đến những hiểu biết mới về các chi tiết cụ thể của mẫu vật đang được nghiên cứu.

Kính hiển vi nguồn sáng phân cực

Kính hiển vi nguồn sáng phân cực (Hình 3) là một kỹ thuật phù hợp để kiểm tra các bề mặt chứa các cấu trúc làm thay đổi trạng thái phân cực trong quá trình phản xạ. Ví dụ, các hạt cấu trúc trong mẫu quặng và một số hợp kim kim loại và màng mỏng có thể được kiểm tra dễ dàng bằng phương pháp này. Trong cấu hình quang học được phác thảo trong Hình 3, các mặt sóng chiếu sáng gặp một bộ phân cực được đặt trong bộ chiếu sáng thẳng đứng trước bộ phận gương hướng ánh sáng vào vật kính. Các sóng ánh sáng phân cực tuyến tính được tập trung vào bề mặt mẫu vật và phản xạ trở lại vật kính. Sau khi rời khỏi khẩu độ vật kính dưới dạng một bó mặt sóng song song, ánh sáng sau đó được chiếu lên bản phân cực thứ hai (máy phân tích) được định hướng một góc 90 độ so với bản phân cực. Chỉ các mặt sóng khử cực hoặc dịch chuyển mới có thể đi qua máy phân tích để đến thấu kính ống. Một tấm lambda phụ cũng có thể được lắp ngay trước máy phân tích trong dãy quang học để xác định dấu hiệu lưỡng chiết hoặc để thêm màu (chuyển màu xám sang độ tương phản màu). Trong trường hợp vật kính có độ phóng đại rất thấp được sử dụng trong ánh sáng phân cực phản xạ, một tấm quang học có thể xoay (được gọi là nắp Antiflex ) bao gồm một tấm lambda bước sóng một phần tư được đặt trên thành phần thấu kính phía trước vật kính để chặn sự phản xạ từ chính vật kính.

Các mẫu dị hướng khi sử dụng trong kính hiển vi nguồn sáng phân cực, sẽ xuất hiện tối nếu các phản xạ chính được định hướng song song với các góc phương vị truyền của bản phân cực hoặc máy phân tích. Ở vị trí chéo (45 độ so với trục phân cực), mỗi mặt sóng tới được chia thành hai thành phần phản xạ tạo thành mặt sóng hình elip khi bị phản xạ bởi bề mặt lưỡng chiết (do chỉ số khúc xạ hoặc sự biến đổi hấp thụ khác nhau). Nếu các thành phần phản xạ này có thể tạo ra nhiễu ở máy phân tích thì hình ảnh thu được sẽ sáng và có thể có màu. Máy phân tích có thể được tháo ra để kiểm tra các hạt có hướng khác nhau bằng cách sử dụng phương pháp gọi là đa sắc phản xạ. Độ tương phản trong kính hiển vi nguồn sáng phân cực được tạo ra bởi các đặc điểm dị hướng của mẫu vật, hiệu ứng quang từ, ăn mòn sâu hoặc lớp phủ lưỡng chiết. Hình ảnh trong Hình 3(b) là trường nhìn của chip máy tính giống như Hình 2(b), ngoại trừ sơ đồ chiếu sáng là ánh sáng phân cực phản xạ chứ không phải trường tối.

Chuẩn bị mẫu cẩn thận là điều cần thiết để thành công trong kính hiển vi nguồn sáng phân cực. Trong các ứng dụng địa chất, độ dày tiêu chuẩn cho các mặt cắt đá mỏng là 25 đến 30 micromet. Mẫu có thể được mài bằng bánh xe thấm kim cương và sau đó được hoàn thiện bằng tay đến độ dày chính xác bằng cách sử dụng bột mài mòn có kích thước hạt giảm dần. Mẫu thử cuối cùng phải có nắp kính được gắn bằng chất kết dính quang học trong suốt. Các vật liệu mềm hơn có thể được chuẩn bị theo phương pháp tương tự như các mẫu sinh học sử dụng máy cắt vi thể. Kính hiển vi nguồn sáng phân cực cung cấp một lượng lớn thông tin về thành phần và cấu trúc ba chiều của nhiều mẫu. Thực tế không giới hạn về phạm vi, kỹ thuật này có thể tiết lộ thông tin về lịch sử nhiệt và ứng suất mà mẫu vật phải chịu trong quá trình hình thành. Hữu ích trong sản xuất và nghiên cứu, kính hiển vi nguồn sáng phân cực là một công cụ điều tra và kiểm soát chất lượng tương đối rẻ tiền và dễ tiếp cận, có thể cung cấp thông tin không có ở bất kỳ kỹ thuật nào khác.

Kính hiển vi nguồn sáng tương phản giao thoa vi sai (DIC)

Một trong những kỹ thuật mạnh mẽ nhất để đưa độ tương phản vào hình ảnh ánh sáng phản xạ là độ tương phản giao thoa vi sai, cho phép hình dung sự khác biệt về độ cao từng phút trên các bề mặt. Trong cấu hình quang học (Hình 4), một lăng kính lưỡng chiết (còn được gọi là lăng kính Wollaston hoặc Nomarski, tùy theo thiết kế) được đặt trong không gian vô cực ngay phía trên vật kính và một bộ phân cực được lắp vào đèn chiếu thẳng đứng (tương tự như ánh sáng phân cực). Lăng kính chia mặt sóng ánh sáng phân cực thành hai chùm phân cực trực giao, định hướng một góc 45 độ so với bản phân cực, trên đường đi tới mẫu vật. Những chùm ánh sáng vuông góc này tác động lên mẫu vật để tạo ra sự dịch chuyển ngang ở những vùng có bề mặt nổi. Nếu bề mặt hoàn toàn bằng phẳng thì không quan sát được đặc điểm nào. Tuy nhiên, ví dụ, nếu có một bước nhỏ giữa hai mặt sóng (xem Hình 4), thì một trong các chùm tia phải truyền đi một đường đi dài hơn và được gán độ lệch đường đi này. Khi các chùm tia song song quay trở lại kính hiển vi sau khi đi qua vật kính và lăng kính, chúng sẽ đi qua bộ phân cực thứ hai (máy phân tích), nơi giao thoa tạo ra hình ảnh trung gian trong đó sự khác biệt về đường đi được chuyển thành giá trị màu xám mà mắt có thể nhìn thấy. Tương tự như kính hiển vi nguồn sáng phân cực, tấm lambda có thể được đặt bên dưới máy phân tích để chuyển giá trị màu xám thành màu sắc.

Các thành phần quang học cần thiết để quan sát độ tương phản nhiễu vi phân không che hoặc cản trở khẩu độ vật kính, do đó cho phép sử dụng thiết bị ở khẩu độ số đầy đủ. Điều này dẫn đến sự cải thiện đáng kể về độ phân giải. Ngoài ra, độ tương phản giao thoa vi sai tạo ra hình ảnh có thể dễ dàng thao tác bằng kỹ thuật hình ảnh kỹ thuật số và video để tăng cường độ tương phản hơn nữa. Một trong những cân nhắc quan trọng nhất trong nhiều phòng thí nghiệm, khi so sánh DIC với ánh sáng phân cực hoặc ánh sáng trường tối, là chi phí của các bộ phận phụ kiện. Bởi vì DIC yêu cầu một số lăng kính Nomarski lưỡng chiết đắt tiền và các bộ phận quang học không bị biến dạng (chủ yếu là vật kính), nên thiết bị này đắt hơn đáng kể so với hầu hết các kỹ thuật tăng cường độ tương phản khác. Trong nhiều trường hợp, chủ yếu là khi chụp ảnh vi mô và/hoặc chụp ảnh kỹ thuật số không được xem xét chính, việc chiếu sáng trường tối thường sẽ phục vụ mục đích của phòng thí nghiệm kiểm tra các mẫu vật kim loại. Tuy nhiên, khi phải thu được hình ảnh có độ phân giải cao trong các mẫu có pha trong suốt, độ tương phản giao thoa vi phân là kỹ thuật lựa chọn tối ưu. Hình ảnh trong Hình 4(b) là trường nhìn của chip máy tính giống như Hình 2(b) và Hình 3(b), ngoại trừ sơ đồ chiếu sáng được phản ánh độ tương phản giao thoa vi sai thay vì trường tối hoặc ánh sáng phân cực.

Các nhà kính hiển vi và kỹ sư quang học hiện đại đã phát triển một loạt các kỹ thuật hữu ích được thiết kế để hỗ trợ tăng cường độ tương phản, cung cấp khả năng quan sát tốt hơn và hỗ trợ thu thập ảnh vi mô và hình ảnh kỹ thuật số của nhiều loại mẫu vật. Kính hiển vi chiếu sáng trường tối có thể được sử dụng để tăng khả năng hiển thị của các mẫu vật thiếu độ tương phản đủ khó quan sát bằng kính hiển vi trường sáng tiêu chuẩn, trong khi DIC là một cơ chế tuyệt vời để hiển thị độ tương phản trong các mẫu trong suốt. Tuy nhiên, kính hiển vi nguồn sáng phân cực được thiết kế để quan sát và chụp ảnh các mẫu vật có thể nhìn thấy chủ yếu do đặc tính dị hướng quang học của chúng, do đó cải thiện chất lượng hình ảnh thu được bằng vật liệu lưỡng chiết khi so sánh với các kỹ thuật khác như trường tối, trường sáng và độ tương phản giao thoa vi sai.

Nguồn:

Công ty Minh Khang là nhà phân phối độc quyền thị trường miền Nam phân khúc kính hiển vi hãng Carl ZEISS.