conceitos básicos em microscopia [2]

Transcrição

1 [2] Olho humano: Anomalias visuais: miopia formação da imagem anterior à retina. hipermetropia formação da imagem posterior à retina. astigmatismo falta de simetria radial do olho. daltonismo incapacidade em diferenciar cores. 1>

2 Retina: projeção das imagens captadas pelo olho humano cones: percepção de cor bastonetes: percepção de luminosidade O espaçamento existente entre as células fotosensíveis ( 3μm) é responsável pela limitação do olho em distinguir detalhes muito pequenos. 2>

3 Os primeiros instrumentos óticos: A. Leeuwenhoek ( ) desenvolve uma lupa com a qual estuda vários microorganismos e células (Séc. XVII). Antoni van Leeuwenhoek (1632 and 1723) designed and built several hundred microscopes that were all very small and had a very similar design and function. The dimensions of his microscopes were fairly constant at approximately two inches long and one inch across. The main body of these microscopes consists of two flat and thin metal (usually brass) plates riveted together. Sandwiched between the plates was a small bi-convex lens capable of magnifications ranging from 70x to over 250x, depending upon the lens quality. Lupa: lente de cristal, normalmente biconvexa, cujo aumento é 1/f. ref.: 3>

4 Séc. XVII Instrumentos óticos dotados de lentes objetiva e ocular, que permitem maior ampliação na imagem. Microscópio usado por Hooke Bactérias por Leeuwenhoek Destaques: Robert Hooke ( ): descoberta da estrutura celular. Antony van Leeuwenhoek ( ): estudos de bactérias. Marcello Malpighi ( ): estudos histológicos em plantas. 4>

5 Análise de metais/ligas: Microscópio ótico de luz transmitida: tipicamente usado para materiais translúcidos, como as amostras poliméricas ou biológicas. Microscópio de reflexão (Séc. XIX) Técnicas de preparação Microscópio ótico de luz refletida: tipicamente usado para superfícies opacas, como as amostras metálicas. 5>

6 O espectro eletromagnético: ν = λ f E = h f ref.: 6>

7 Luz branca: espectro de radiação que corresponde a zona de sensibilidade do olho humano, compreendido entre o ultravioleta e o infravermelho. 7>

8 Lentes convergentes : u v 2 v 1 Propriedades das lentes: Ob o feixe de luz paralelos ao eixo ótico da lente são refratados para um ponto, denominado foco. Im 2 Im 1 o feixe de luz que passa pelo centro de simetria da lente não sofrem refração (desvio). Equação das lentes = + f u v Ampliação: M = v u 8>

9 Abertura Numérica (Numerical Aperture-NA): n índice de refração NA (obj) = n. sen θ n = diamante Limite prático do semi-ângulo de abertura: θ 72 sen θ = 0,95 valores práticos de abertura numérica 0,1 < NA < 1,5 c v material vácuo ar água glicerina óleo de imersão vidro (crown) vidro (flint) zirconia n 1,0000 1,0003 1,3333 1,4730 1,5150 1,5200 1,6560 1,9200 2,4170 9>

10 Abertura Numérica (Numerical Aperture-NA): 10>

11 Resolução (δ): a menor distância entre dois pontos da amostra/imagem que ainda podem ser distintos como dois detalhes separados. Critério de Rayleigh: λ δ = 0, 61 NA Limites práticos: Olho humano: δ ~ 0,2 mm Microscópio óptico: δ ~ 0,2 μm Microscópio eletrônico: δ < 1nm John William Strutt ( ) Lord Rayleigh 11>

12 Discos de Airy e Critério de Rayleigh NA NA 12>

13 Profundidade de campo (depth of field d): Profundidade com que detalhes existentes em diferentes planos podem ser visualizados em foco. d = λ 2 n ( NA) 2 (NA) λ - comprimento de onda; n índice de refração; NA abertura numérica; >

14 Brilho (Brightness - F): Medida de quantos fótons/elétrons por segundo podem ser direcionados para uma dada área da amostra ou imagem. F = ( NA) (M) M ampliação; NA abertura numérica; 2 2 (a) Brilho uniforme (b) Brilho não uniforme 14>

15 Contraste (Contrast - C): Medida de variação da luminiscência ou cor que tornam uma amostra ou imagem distinta. O contraste é determinado pela diferença de brilho e de cor da amostra/imagem no mesmo campo de visão. C = I I I b b I intensidade; I b intensidade base; 15>

16 Contraste 16>

17 Contraste 17>

18 Aberrações: defeitos na lente imperfeições na imagem aberrações monocromáticas aberração esférica* coma astigmatismo* curvatura de campo distorção policromáticas aberração cromática* 18>

19 Aberração esférica: os feixes luminosos mais afastados do eixo ótico definem diferentes distâncias focais, causando uma área de confusão onde a luz converge. lente convergente lente divergente Solução: utilização de lentes corrigidas, cujo desenho compensa os efeitos causados pela curvatura e tornam o foco mais definido. No MEV/MET as lentes com CS otimizado tem custo mais elevado. 19>

20 Aberração esférica 20>

21 Coma: conceitos básicos em microscopia um tipo especial de aberração esférica que afeta as imagens mais remotas do eixo ótico da lente, de modo que a imagem de um ponto apareceria uma vírgula (comma, em inglês). diafragma solução: utilização de diafragma, responsável pela eliminação dos feixes luminosos mais afastados do eixo ótico. No MEV/MET, usar lentes com C S otimizado (custo mais elevado). 21>

22 Astigmatismo: aberração associada a diferenças na focalização da luz em diferentes planos (vertical/horizontal), que leva a imagem de um ponto aparecer como um segmento ou círculo difuso. solução: utilização de lentes corrigidas para esta aberração. No MEV/MET, minimizar o astigmatismo por correções no campo magnético (stigmators). 22>

23 Astigmatismo 23>

24 Aberração cromática: a luz branca se decompõe (refrata) em feixes luminosos de variadas cores, cada qual com o seu respectivo ponto focal que gerará imagens com tamanhos que dependerão da cor. aberração cromática longitudinal azul verde vermelho aberração cromática transversal solução: utilização de lentes acromáticas, semi-apocromáticas ou apocromáticas, construídas com vidros especiais (flint e crown). No MEV/MET, utilizar alta tensão estável (λ constante) e aberturas. 24>

25 Resolução especial em imagens digitais: 25>

26 Propriedades básicas das imagens digitais: BIT (contração de Binary digit): 0 e 1 byte = string de 8 bits (256 valores 0 ou 1) 1 byte = 8 bits 1 kbyte = bits = 8 kbits 1 Mbyte = bits = 8 Mbits PIXEL (contração de PICture ELement) Brilho e contraste (bit depth) das imagens digitais: color depth (profundidade de cor): VGA (Video Graphics Array): 2 4 bits = 16 cores/pixel SVGA (super VGA): 2 8 bits = 256 cores/pixel Grayscale: 2 8 bits = 256 cores/pixel RGB (Red/Green/Blue): 2 8 bits (red) x 2 8 bits (green) x 2 8 bits (blue) = cores/pixel 26>

27 Histogramas e contraste nas imagens digitais: 27>

28 Histogramas e contraste nas imagens digitais: 28>

29 Bibliografia: Brandon, D.; Kaplan, W. D. Microstructural Characterization of Materials, 2 nd edition. John Wiley & Sons Ltd, Chichester, 2008, 536p. ISBN Vander Voort, G. F. Metallography: Principles and Practice. ASM International, Materials Park, 1999, 752p. ISBN Goodhew, P. J.; Humphreys, J.; Beanland, R. Electron Microscopy and Analysis, 3 rd edition. Taylor & Francis Inc.,New York, 2001, 251p. ISBN Notas de aula preparadas pelo Prof. Juno Gallego para a disciplina CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DE MATERIAIS Permitida a impressão e divulgação. 29