ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕРЕОИЗОБРАЖЕНИЯ. ПРИМЕНЕНИЕ СТЕРЕОИЗОБРАЖЕНИЙ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МИКРООБЪЕКТОВ

 

Цель работы - изучение принципов получения стереоизображений, изучение принципа действия и возможностей применения стереомикроскопа в исследовательской и измерительной практике, сравнительный анализ параметров и возможностей стереомикроскопа с металлографическим микроскопом.

5.1. Объекты исследований

Для изготовления исследований предлагаются микрообъекты, изготовленные по различным технологиям, и имеющие различные размеры элементов и различную глубину рельефа.

№1.Транзистор, микросборки, микросхема в корпусе. Объекты представляют собой сборки кристаллов полупроводниковых структур в корпусе (корпус вскрыт или имеет прозрачную крышку).

№2 Микрошарики – стеклянные полые шарики размером порядка 100мкм.

№3. Пленочная микросхема – пассивные элементы в виде проводящих пленок из различных сплавов на диэлектрической подложке из ситалла .

№4. Кристаллы интегральных датчиков давлений – мостовая резисторная схема, изготовленная по интегральной технологии, С обратной стороны кристалла вытравлен объем для образования мембраны (рис.5.1).

№5. Фотошаблон – стеклянная пластина с тонким слоем металлизации, на котором сформирован рисунок слоя микросхемы.

Рис.5. 1. Кристалл интегрального датчика давления

.

5.2. Теоретические сведения

5.2.1. Принцип получения стереоизображения

1.1.1.

1.1.2.

1.1.3.

.1.

.2.

1.

1.1.

1.2.

Стереоскопическое (пространственное) изображение - изображение, которое при рассматривании представляется объемным (трехмерным). Объемность изображения обуславливается бинокулярным стереоэффектом, который возникает при наблюдении объектов двумя глазами, когда правый и левый глаз наблюдают пространственный объект в разных ракурсах. При наблюдении стереоскопического изображения, как и в естественных условиях, каждому глазу предоставляется возможность видеть свой ракурс объекта, в сознании человека происходит автоматическое слияние этих ракурсов в одно слитное пространственное изображение. Таким образом, необходимым условием для получения стереоизображения объекта, является направление в каждый из двух глаз наблюдателя изображения объекта, полученного при определенном ракурсе (т.е. оба глаза получают различные изображения). Фотография или рисунок представляют собой плоское изображение объекта. При рассматривании такого изображения оба глаза получают одинаковые картинки. Для пространственного отображения объекта делают две фотографии с разных ракурсов. Такие два изображения называются стереопарой. При рассматривании стереопары необходимо обеспечить направление каждого из двух изображений в соответствующий глаз.

5.2.2. Принцип действия стереомикроскопа микроскопа

В оптических микроскопах применяются монокулярные (для наблюдения одним глазом и бинокулярные тубусы для наблюдения двумя глазами). Но даже бинокулярные тубусы, используемые в обычных микроскопах, при всём удобстве наблюдения двумя глазами не дают стереоскопического эффекта: в оба глаза попадают в этом случае под одинаковыми углами одни и те же лучи, лишь разделяемые на два пучка призменной системой. Стереомикроскопы, обеспечивающие подлинно объёмное восприятие микрообъекта, представляют собой фактически два микроскопа, выполненных в виде единой конструкции так, что правый и левый глаза наблюдают объект под разными углами (рис.5.2).

Е

H

А

L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAwmNShMMA AADcAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbERPTWvCQBC9F/wPywheim5UqiW6ioi2xZumrXgbsmMS zM6G7JrEf+8eCj0+3vdy3ZlSNFS7wrKC8SgCQZxaXXCm4DvZD99BOI+ssbRMCh7kYL3qvSwx1rbl IzUnn4kQwi5GBbn3VSylS3My6Ea2Ig7c1dYGfYB1JnWNbQg3pZxE0UwaLDg05FjRNqf0drobBZfX 7Hxw3cdPO32bVrvPJpn/6kSpQb/bLEB46vy/+M/9pRVMorA2nAlHQK6eAAAA//8DAFBLAQItABQA BgAIAAAAIQDw94q7/QAAAOIBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1s UEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADHdX2HSAAAAjwEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALgEAAF9yZWxzLy5yZWxz UEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADMvBZ5BAAAAOQAAABAAAAAAAAAAAAAAAAAAKQIAAGRycy9zaGFwZXht bC54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAwmNShMMAAADcAAAADwAAAAAAAAAAAAAAAACYAgAAZHJzL2Rv d25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA9QAAAIgDAAAAAA== " fillcolor="white [3201]" stroked="f" strokeweight=".5pt">

а

L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEArS/3H8YA AADcAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbESPQWvCQBSE7wX/w/IEL0U3KlUbXaUUbcWbRlt6e2Sf STD7NmTXJP333UKhx2FmvmFWm86UoqHaFZYVjEcRCOLU6oIzBedkN1yAcB5ZY2mZFHyTg82697DC WNuWj9ScfCYChF2MCnLvq1hKl+Zk0I1sRRy8q60N+iDrTOoa2wA3pZxE0UwaLDgs5FjRa07p7XQ3 Cr4es8+D694u7fRpWm3fm2T+oROlBv3uZQnCU+f/w3/tvVYwiZ7h90w4AnL9AwAA//8DAFBLAQIt ABQABgAIAAAAIQDw94q7/QAAAOIBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10u eG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADHdX2HSAAAAjwEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALgEAAF9yZWxzLy5y ZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADMvBZ5BAAAAOQAAABAAAAAAAAAAAAAAAAAAKQIAAGRycy9zaGFw ZXhtbC54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEArS/3H8YAAADcAAAADwAAAAAAAAAAAAAAAACYAgAAZHJz L2Rvd25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA9QAAAIsDAAAAAA== " fillcolor="white [3201]" stroked="f" strokeweight=".5pt">

б

Рис.5.2.Ход лучей: а – в микроскопе с бинокулярной насадкой; в стереомикроскопе: A- объектив, B- система Галилея, C- переключатель увеличения, D, F, G- промежуточные линзы, E-призмы, H- окуляры

 

 

Наиболее широкое применение такие микроскопы находят там, где требуется производить какие-либо операции с объектом в ходе наблюдения (биологического исследования, хирургической операции на сосудах, мозге, в глазу — микрургия, сборка миниатюрных устройств, например, транзисторов), — стереоскопическое восприятие облегчает эти операции. Удобству ориентировки в поле зрения микроскопа. служит и включение в его оптическую схему призм или системы зеркал, играющих роль оборачивающих систем; изображение в таких случаях прямое, а не перевёрнутое.

Стереомикроскопы дают возможность получить увеличенное стереоизображение образца с большим полем зрения и большой глубиной резкости. Так как угол между оптическими осями объективов в стереомикроскопах обычно 12°, их числовая апертура, как правило, не превышает 0,12. Поэтому и полезное увеличение таких микроскопов составляет не более 120.

В окулярной трубке имеется механизм диоптрийной наводки, осуществляемой в пределах 5 диоптрий вращением кольца. Механизм позволяет настроить оптическую систему в соответствии со зрением оператора.

В верхней части стола имеется круглое окно, в которое устанавливается предметная пластина. Изображение может быть, как в отраженном, так и в проходящем свете. Для работы в проходящем свете устанавливается стеклянная пластина, в отраженном - пластина с белым или черным покрытием.

На рис 5.1. показан ход лучей в режиме отраженного света. В режиме проходящего света свет направляется на зеркало, расположенное под предметным столиком, отраженный от зеркала свет проходит через объект (объект должен быть частично прозрачным) и попадает в объектив.

 

5.3. Оборудование и наглядные пособия для выполнения ЛР

В качестве оборудования в работе используются:

Стереомикроскоп «Технивал»,

Микроскоп металлографический ММУ-3.

Для изучения различных способов получения и рассматривания стереопар предлагаются следующие наглядные пособия:

Стереоскоп,

Стереоальбом.

Стереоальбом с анаглифическими очками.

5.3.1. Стереомикроскоп«Технивал»

Технические характеристики микроскопа:

• увеличение в пределах 6,3-100 крат,

• линейное поле зрения 39-2,4 мм,

• рабочее расстояние не менее 95 мм,

Внешний вид микроскопа показан на рис. 5.3.

 

Рис.5.3. Внешний вид микроскопа «Технивал»: 1 – источник питания; 2 – осветитель; 3 – объектив; 4 – переключатель барабанного типа; 5 – окуляры

 

Стереоизображение формируется, как уже говорилось, за счет раздельного хода лучей для правого и левого глаза. Для обоих ходов лучей используется общий объектив, в фокальной плоскости которого располагается объект. Оси обоих частичных пучков образуют перед объективом угол 12.5°, за объективом ход обоих лучей параллелен. Системы Галилея (две пары труб) размещены в барабане, находящемся в корпусе. Смена увеличения происходит при вращении рукояток, которые крепятся на оси барабана. Переключатель увеличения микроскопа расположен в средней части микроскопа в виде контактного валика (4). Общее увеличение микроскопа равно произведению фактора прибора q на увеличение окуляра V= qV_ок. В барабане также имеется третья пара труб, не содержащая линз, следовательно, она не вносит вклад в увеличение изображения, определяемого увеличением объектива и окуляра.

Округленные значения увеличений объективной части микроскопа нанесены на рукоятках (0.63;1; 1,6; 2,5; 4). На фронтальной поверхности корпуса размещена таблица значений увеличения при использовании окуляров 10^х и 20^х. Микроскоп можно использовать для работы, как в отраженном, так и в проходящем свете.

Система тубуса, расположенная за переключателем увеличения, проектирует два раздельных изображения, которые отдельно наблюдаются с помощью двух окуляров. Патрубки окуляра перемещаются относительно средней оси тубуса в зависимости от межзрачкового расстояния глаз оператора в пределах от 56 до 72 мм. На левой окулярной трубке имеется механизм диоптрийной наводки, осуществляемой в пределах 5 диоптрий вращением кольца.

В верхней части стола имеется круглое окно, в которое устанавливается предметная пластина. Изображение может быть, как в отраженном, так и в проходящем свете. Для работы в проходящем свете устанавливается стеклянная пластина, в отраженном - пластина с белым или черным покрытием. При работе в отраженном свете осветитель устанавливается в гнезде кронштейна. (рис.6). Конструкция осветителя позволяет независимо друг от друга регулировать азимут освещения, расстояние осветителя до объекта и угол падения светового пучка на объект.

В задней стенке основания стола имеется гнездо для установки осветителя при работе в проходящем свете (рис.4). В основании стола имеется поворотное зеркало с рукояткой вращения. Азимут освещения в этом случае регулируется поворотным зеркалом. Регулировку освещенности можно осуществлять изменением напряжения питания лампы. Фокусировка изображения осуществляется с помощью рукоятки 4 (рис 5.6).

Рис.5.4. Положение осветителя при работе в проходящем свете: 1 – осветитель; 2 – зеркало; 3 – прозрачное стекло; 4 – рукоятка настройки на резкость.

 

 

5.3.2. Металлографический микроскоп ММУ-3

Для сравнительного анализа студентам предлагается рассмотреть изображение некоторых объектов в оптическом микроскопе «ММУ-3» (рис.5.5).

Микроскоп металлографический М.МУ-3 предназначается для визуального наблюдения непрозрачных объектов в отраженном свете при работе в светлом и темном поле и в поляризованном свете.

Основные технические характеристики:

• увеличение в пределах 80 - 476 крат,

• рабочее расстояние 0.7 – 5.4 мм

В работе используется объектив

В отличие от стереомикроскопов такие микроскопы не содержат системы Галилея.

 

Рис.5.5. Внешний вид микроскопа ММУ: 1 – источник питания: 2- предметный столик; 3 - осветитель: 4 – сменный объектив; 5- окуляры; 6 – рукоятка фокусировки, 7,8 – рукоятки перемещения столика, 9 - диафрагма.

 

 

Рис.5.6.. Оптическая схема микроскопа ММУ-3

 

 

При наблюдении в светлом поле лучи от источника света 1 (рис. 5.6) проходят через коллектор 2, теплофильтр 3, осветительную линзу 4, диафрагму 5, отражаются от плоскопараллельной полупрозрачной пластинки б7 и направляются через объектив 7 на объект 8. Лучи, отраженные от поверхности объекта, снова проходят через объектив, который совместно с линзой 9 проецирует изображение объекта в фокальную плоскость окуляров 10.

5.4. Порядок выполнения ЛР

5.4.1. Исследование в стереомикроскопе

1. Изучить в соответствии с рисунками конструкцию стереомикроскопа.

2. Убедиться, что положение осветителя соответствует режиму отраженного света и включить блок питания осветителя. Внимание!Работы с оптическими деталями микроскопа проводить крайне осторожно! Никогда не следует касаться пальцами или твердыми предметами поверхностей оптических деталей во избежание нарушения просветляющих покрытий.

3. Снять окуляры с окулярных трубок. Ослабить винт бинокулярной насадки и снять ее. Установить барабан в положение, когда через гнездо под бинокулярную насадку будут видны отверстия в барабане без оптики. Вращая рукоятку барабана, рассмотреть устройство системы Галилея. Установить бинокулярную насадку на место и надежно затянуть зажимной винт

4. Положить на предметный столик один из образов №1 (по указанию преподавателя). На переключателе увеличения установить фактор прибора 0,63 и провести грубую фокусировку объекта, наблюдая изображение через правый окуляр.

5. Настроить механизм диоптрийной наводки:

· установить на 0 кольцо для установки диоптрии;

· подогнать патрубки окуляра по своему межзрачковому расстоянию,

· установить фактор прибора на 4 и сфокусировать изображение;

· при минимальном увеличении поочередно, наблюдая левым глазом через соответствующий окуляр, добиться резкости объекта вращением кольца установки диоптрии на патрубке окуляра.

6. Рассмотретьизображение двумя глазами при различных значениях увеличения. Обратить внимание на фокусное расстояние объектива. Зафиксировать в отчете наблюдения (что собой представляет объект, какие детали отчетливо видны в микроскоп, а какие – менее четко).

7. Повторитьпункты 5- 7 для образца №2. Отметить в отчете особенности изображения этого объекта и максимальное увеличение, при котором рассматривался объект.

8. Положить на предметный столик пленочную микросхему (образец 3). Повторитьпункты 5-7.

9. Повторитьпункт 5-7 для образов №4. (Обратите внимание, что на стеклянной подложке кристаллы расположены лицевой и обратной стороной. Рассмотрите оба варианта).

10. Снять с предметного столика микроскопа «Технивал» непрозрачную пластину и установить на ее место стекло. Положить на стекло образец №5 – фотошаблон. Поворачивая зеркало, настроить изображение объекта в проходящем свете. Отметить в отчете особенности изображения.

11. Поставить осветитель на место, убрать образцы и выключить микроскоп

5.4.2. Исследование в микроскопеММУ-3

1. Изучить в соответствии с рис.5.6, 5.7.схему и конструкцию микроскопа.

2. Включить лампу через блок питания в сеть. Передвинуть рамку с ирисовой диафрагмой от себя до упора, сфокусировать микроскоп на объект.

3. Пользуясь диоптрийным механизмом левой окулярной трубки, сфокусировать левый окуляр насадки на объект. Установить окулярные трубки насадки в соответствии с расстоянием между глазами, при этом поля зрения левой и правой трубок должны слиться в одно поле.

4. Расположитьобразец №3 на предметном столике микроскопа. Настроить резкость изображения. Отметить отличия изображения в сравнении с изображением в стереоизображении.

Внимание! При фокусировке во избежание повреждения оптических деталей и образца, внимательно следите, чтобы образец не касался объектива.

Обратить внимание на фокусное расстояние.

5. Провести измерение элементов объекта по указанию преподавателя в пользуясь окулярным микрометром. Измерение размеров одинаковых элементовпроводить не менее пяти раз, результаты измерений и вычислений занести в табл. 5.1.

Таблица 5.1