Microscopie optique

Microscopie optique  

La microscopie étudie l'agrandissement de l'image des objets qui sont trop petits pour être correctement vus à l'œil nu. La microscopie remplit sa tâche en exploitant les rayonnements (Fig 1) émis, absorbés, transmis ou réfléchis par l'échantillon à observer. La nature du rayonnement spécifie le type de microscopie tel que la microscopie optique, la microscopie électronique, la microscopie à rayons X ou la microscopie acoustique, etc. La partie visible du spectre électromagnétique est le type de rayonnement utilisé par la microscopie optique. La microscopie optique est l'examen microscopique des matériaux au microscope optique.

Fig 1 Ondes électromagnétiques

Des loupes grossières étaient utilisées dans l'Antiquité, mais l'évolution des microscopes modernes a commencé au 17ème siècle. Bien que le premier microscope composé ait été construit par Hans et Zacharias Janssen en 1595, Antoni van Leeuwenhoek (1632–1723) a réussi à fabriquer des lentilles si bonnes pour atteindre l'incroyable grossissement d'environ 300x dans leurs microscopes très simples. En raison des suggestions du scientifique Robert Hook vers 1670, le fabricant d'instruments Christopher Cock à Londres a construit un microscope composé très réussi. Avec cet instrument, Hook a pu observer les cellules. Le microscope de Hook peut être considéré comme le père des instruments modernes.

Le microscope optique, souvent appelé «microscope optique», est un type de microscope qui utilise la lumière visible (Fig 1) et un système de lentilles pour agrandir les images de petits échantillons. Les microscopes optiques sont les plus anciens et les plus simples des microscopes. C'est un instrument très important pour l'étude de la microstructure, malgré l'évolution des instruments sophistiqués de métallographie électronique. Le «microscope électronique à balayage» (SEM) et le «microscope électronique à transmission» (TEM) sophistiqués sont également des instruments inestimables. Cependant, ils doivent être utilisés en conjonction avec un microscope optique, plutôt qu'en tant que substitut.

Tous les examens de la microstructure commencent par l'utilisation du microscope optique, en commençant par un faible grossissement, tel que 100 ×, suivi de grossissements progressivement plus élevés pour évaluer efficacement les caractéristiques de base de la microstructure. La majorité des microstructures peuvent être observées au microscope optique et identifiées en fonction de leurs caractéristiques. L'identification des constituants douteux ou inconnus peut être facilitée par l'observation de leur dureté par rapport à la matrice, par leur couleur naturelle, par leur réponse à la lumière polarisée et par leur réponse aux décapants sélectifs. Ces observations sont comparées aux détails connus sur la métallurgie physique du matériau examiné. Si le doute persiste ou si la structure est trop fine pour être observée, des techniques plus sophistiquées sont à mettre en œuvre.

Le microscope optique peut être utilisé pour examiner des échantillons métallographiques polis ou gravés. Certains constituants sont plus facilement observés comme polis, car ils ne sont pas obscurcis par les détails de gravure. Les inclusions, les nitrures, certains carbures et les phases intermétalliques peuvent être facilement observés sans gravure. A l'exception des inclusions, les autres phases peuvent être plus facilement examinées si un certain relief est introduit lors du polissage final. Les échantillons doivent être préparés de manière adéquate pour garantir une observation et une interprétation correctes de la microstructure sans complications dues aux artefacts. Les échantillons qui réagissent à la lumière polarisée, tels que les matériaux avec des structures cristallines non cubiques, sont normalement examinés sans gravure. Cependant, dans la majorité des cas, une gravure doit être effectuée pour observer la microstructure. Un décapant à usage général est normalement utilisé en premier pour révéler la structure du grain et les phases présentes, suivi de décapants sélectifs qui attaquent ou colorent des phases spécifiques d'intérêt. Les décapants sélectifs sont largement utilisés pour la métallographie quantitative, en particulier s'ils sont effectués à l'aide d'un appareil automatisé. Dans les deux cas, la gravure doit être effectuée avec soin pour révéler la microstructure avec clarté.

Un microscope utilise une lentille d'objectif à très courte distance focale pour former une image considérablement agrandie. Cette image est ensuite visualisée avec un oculaire à courte focale utilisé comme une simple loupe. Le concept d'imagerie de base et les structures de la microscopie optique sont illustrés à la figure 2. Le système optique d'un microscope comprend principalement une lentille d'objectif et un oculaire. Le but d'une lentille d'objectif est de grossir un objet afin qu'il puisse être clairement observé par l'utilisateur. Pendant l'observation, l'échantillon est placé près du plan focal de la lentille d'objectif dans l'espace objet, et une image réelle agrandie de l'échantillon est d'abord créée sur le plan intermédiaire. Le plan intermédiaire est situé sur le plan focal de l'oculaire, ainsi l'oculaire fonctionne comme une loupe pour agrandir davantage l'image projetée sur le plan d'image intermédiaire. Enfin, une image agrandie, virtuelle et inversée est fournie à l'observateur.

Fig 2 Principe optique de l'imagerie au microscope

La capacité d'un microscope optique à produire des images séparables de différents points sur un objet est limitée. Le pouvoir de résolution d'une lentille est une mesure quantitative de cette capacité. Les points plus proches que la limite de résolution ne peuvent pas être distingués en tant que points séparés. Ernst Abbe en 1873 a d'abord fixé la valeur de la distance minimale d entre deux points adjacents leur permettant d'être perçus comme séparés par l'équation 'd =l/2n sin A', où 'l' est la longueur d'onde de la lumière, 'A' est la moitié de l'ouverture angulaire de l'objectif et "n" est l'indice de réfraction du milieu entre l'objet et l'objectif.

À l'heure actuelle, la plus petite séparation linéaire de deux points objets pour lesquels ils peuvent être résolus par un objectif est fixée par le critère de Rayleigh donné par l'équation 'd =1,22(l/2NA)' où 'l' est la longueur d'onde de la lumière, et 'NA' est l'ouverture numérique de l'objectif. Les critères d'Abbe et les critères de Rayleigh sont très similaires, étant l'ouverture numérique liée au support d'imagerie par NA =n sin A. La valeur maximale de sinA est 1 (A =90 degrés), d'où l'ouverture numérique maximale théorique d'un objectif dans l'air (n =1) est NA =1. Puisqu'un NA élevé est une exigence essentielle pour une haute résolution, l'optique d'immersion a été développée. Les échantillons peuvent être imagés à une très courte distance de l'objectif grâce à des milieux d'immersion ayant un indice de réfraction différent, comme l'eau (n =1,33), la glycérine (n =1,47) ou l'huile (n =1,52).

Pour un microscope bien conçu, la résolution spatiale est principalement déterminée par l'objectif. Bien qu'un oculaire puisse également grossir l'image, il ne peut pas améliorer le pouvoir de résolution des microscopes. La résolution spatiale d'un microscope optique est donnée par l'équation de Rayleigh Ro =0. 62 l/n sin A, où 'Ro' est la distance résoluble minimale, 'l' est la longueur d'onde de la lumière, 'n' est l'indice de réfraction du milieu entre la lentille et l'objet, et 'A' est un -la moitié de l'ouverture angulaire de l'objectif, et n sinA est l'ouverture numérique de l'objectif.

Sur la base de l'équation ci-dessus et compte tenu des limitations pratiques, à savoir (i) l'utilisation de la lumière visible avec une longueur d'onde comprise entre 390 nm (nanomètres) et 760 nm, (ii) l'ouverture maximale accessible avec le demi-angle de 70 degrés à 75 degrés, et (iii) l'exigence d'utiliser des méthodes d'immersion avec de l'eau ou de l'huile pour augmenter l'indice de réfraction, la résolution d'un microscope optique conventionnel ne peut pas dépasser 200 nm.

Le microscope optique et le trajet d'onde optique simplifié du microscope sont illustrés à la figure 3. Le microscope optique moderne est capable de grossir un objet de 1 500 fois avec la limite de 200 nm en résolution spatiale. Les microscopes optiques peuvent être divisés en plusieurs types différents en utilisant une variété de critères. Par exemple, basés sur une méthode d'éclairage, il existe les types de microscopes à transmission et à réflexion. Dans un microscope à transmission, la lumière traverse des objets transparents. Dans un microscope à réflexion, la source de lumière installée sur le dessus de la lentille microscopique éclaire les objets non transparents et la lumière réfléchie est collectée par la lentille. Les microscopes peuvent également être différenciés en fonction des méthodes d'observation, y compris les microscopes à fond clair, les microscopes à fond noir, les microscopes à différence de phase, les microscopes à lumière polarisée, les microscopes à interférence et les microscopes à fluorescence.

Chaque microscope peut utiliser l'approche de transmission ou de réflexion. Les microscopes à fond clair sont les plus populaires et les plus largement utilisés de tous les microscopes. En utilisant ce type de microscope, le rapport de transmission (ou d'absorption) et le rapport de réflexion de certains objets observés varient en fonction du changement d'environnement de travail. L'amplitude de ces objets varie avec le changement d'intensité lumineuse. Les objets transparents incolores ne sont visibles que lorsque la phase de la lumière éclairée change. Étant donné que les microscopes à fond clair ne peuvent pas changer de phase lumineuse, les échantillons transparents incolores sont invisibles lors de l'utilisation de ce type de microscope.

Fig 3 Microscope optique et son principe

Composants de microscope

Les microscopes optiques varient considérablement en termes de coût et de capacité. La lumière réfléchie est utilisée pour l'étude des métaux. Les microscopes à lumière transmise sont utilisés pour étudier les minéraux et les polymères, qui peuvent également être examinés à l'aide de la lumière réfléchie. Les microscopes optiques sont également classés comme «droits» ou «inversés». Ces termes font référence à l'orientation du plan de polissage de l'échantillon lors de l'observation. Étant donné que chaque configuration présente certains avantages et inconvénients, la sélection est basée sur les préférences personnelles. Le microscope optique le plus simple est le type banc (normalement droit). Des capacités photographiques peuvent être ajoutées à certains microscopes en fonction de la rigidité du support.

Différents types de microscopes adaptés à l'observation et à la photomicroscopie sont disponibles. Il peut s'agir d'unités plutôt simples ou de microscopes de recherche à grande échelle avec des modes d'éclairage assortis, des sources de lumière, des accessoires de micro-dureté, des platines chauffantes, etc. Les composants de base du microscope optique sont donnés ci-dessous et illustrés à la Fig 3.

Éclairage  système – Une variété de sources lumineuses pour la microscopie optique sont disponibles. La lampe à filament de tungstène basse tension utilisée principalement avec les microscopes de table a une intensité adéquate pour l'observation, mais pas pour la photographie. La modification du courant de l'ampoule contrôle l'intensité lumineuse. Les systèmes d'éclairage à arc de carbone, autrefois courants sur les microscopes, ont été remplacés par des sources lumineuses à arc ou à filament. La source lumineuse à arc au xénon est répandue en raison de sa haute intensité et de ses caractéristiques de couleur à la lumière du jour. L'intensité lumineuse, cependant, ne peut être ajustée qu'en utilisant des filtres de densité neutre. Les lampes à incandescence tungstène-halogène sont également largement utilisées pour leur haute intensité et leur haute température de couleur. L'intensité lumineuse peut être contrôlée en faisant varier le courant ou en utilisant des filtres à densité neutre. D'autres sources lumineuses, telles que les lampes à arc au zirconium, à arc au sodium, à quartz-iode ou à vapeur de mercure, sont moins courantes.

Condenseur – Une lentille réglable exempte d'aberration sphérique et de coma est placée devant la source lumineuse pour focaliser la lumière au point souhaité du chemin optique. Un diaphragme de champ est placé devant cet objectif pour minimiser l'éblouissement interne et les réflexions dans le microscope. Le diaphragme de champ est arrêté jusqu'au bord du champ de vision. Un deuxième diaphragme à iris réglable, le diaphragme d'ouverture, est placé dans le trajet lumineux avant l'illuminateur vertical.

L'ouverture ou la fermeture de ce diaphragme modifie la quantité de lumière et l'angle du cône de lumière entrant dans l'objectif. Le réglage optimal pour cette ouverture varie avec chaque objectif et est un compromis entre le contraste de l'image, la netteté et la profondeur de champ. Lorsque le grossissement augmente, le diaphragme d'ouverture est arrêté. L'ouverture de cette ouverture augmente la netteté de l'image, mais réduit le contraste. La fermeture de l'ouverture augmente le contraste, mais nuit à la netteté de l'image. Le diaphragme d'ouverture ne doit pas être utilisé pour réduire l'intensité lumineuse. Il doit être ajusté uniquement pour le contraste et la netteté.

Filtres de lumière – Ceux-ci sont utilisés pour modifier la lumière pour faciliter l'observation, pour améliorer la microscopie photo ou pour modifier le contraste. Des filtres de densité neutre sont utilisés pour réduire l'intensité lumineuse uniformément sur tout le spectre visible. Différents filtres à densité neutre d'environ 85 % à 0,01 % de transmission sont disponibles. La majorité des microscopes optiques ont une sélection d'au moins deux de ces filtres.

Des filtres sélectifs sont utilisés pour équilibrer la température de couleur de la source lumineuse à celle du film. Ceci est souvent nécessaire pour une reproduction fidèle des images couleur, selon la source lumineuse utilisée et le type de film. Un filtre vert ou jaune-vert est largement utilisé dans la photographie en noir et blanc pour réduire l'effet des défauts de l'objectif sur la qualité de l'image. La majorité des objectifs, en particulier les achromats à moindre coût, ont besoin d'un tel filtrage pour obtenir de bons résultats.

Les filtres polarisants sont utilisés pour produire une lumière polarisée dans le plan (un filtre) ou une lumière polarisée croisée (deux filtres tournés pour produire une extinction) pour l'examen de matériaux non cubiques (cristallographiques). Les matériaux qui sont optiquement anisotropes, tels que le béryllium, le zirconium, l'alpha-titane et l'uranium, peuvent être examinés à l'état de polarisation croisée sans attaque. Une plaque à teinte sensible peut également être utilisée avec une lumière à polarisation croisée pour améliorer la coloration.

L'objectif – Il forme l'image principale de la microstructure et est le composant le plus important du microscope optique. L'objectif recueille autant de lumière que possible de l'échantillon et combine cette lumière pour produire l'image. Le NA de l'objectif est une mesure de la capacité de collecte de lumière de la lentille. La capacité de collecte de lumière augmente avec l'angle 'A'. Le réglage du diaphragme d'ouverture modifie la NA du condenseur et donc la NA du système.

Les lentilles d'objectif (Fig 4) sont normalement montées sur une tourelle porte-objectif qui peut accepter quatre à six objectifs. Certains microscopes n'utilisent pas de tourelles de nez et un seul objectif à la fois peut être placé sur l'illuminateur vertical à l'aide d'une monture à baïonnette. L'illuminateur vertical contient un réflecteur ou un prisme qui dévie la lumière vers le bas de l'objectif sur la surface de l'échantillon. Il contient normalement les diaphragmes d'ouverture et de champ ainsi que les filtres. L'illuminateur vertical ne fournit normalement qu'un ou deux types d'éclairage, tels qu'un éclairage à fond clair et à fond noir ou un éclairage à fond clair et à lumière polarisée. Cependant, des illuminateurs verticaux universels sont maintenant disponibles et fournissent tous les types d'éclairage avec un illuminateur vertical et un ensemble d'objectifs.

La longueur du tube est la longueur du tube du corps entre la ligne des yeux de l'oculaire et le filetage de l'objectif. Cette longueur n'est pas standardisée et peut varier. La majorité des objectifs sont conçus pour être utilisés avec une certaine longueur de tube, normalement de 160 mm à 250 mm, et ne peuvent normalement pas être échangés.

L'objectif le plus couramment utilisé est l'achromat, qui est corrigé sphériquement pour une couleur (normalement jaune-vert) et pour l'aberration chromatique longitudinale pour deux couleurs (normalement rouge et vert). Par conséquent, les achromats ne conviennent pas à la photomicroscopie couleur. L'utilisation d'un filtre jaune-vert et d'un film orthochromatique donne des résultats optimaux. Cependant, les achromats fournissent une distance de travail relativement longue, c'est-à-dire la distance entre la lentille frontale de l'objectif et la surface de l'échantillon. La distance de travail diminue à mesure que le grossissement de l'objectif augmente. La majorité des producteurs fabriquent des objectifs à longue distance de travail pour des applications spéciales, par exemple en microscopie à platine chauffante. Les achromats sont sans contrainte, ce qui est important pour les examens en lumière polarisée. Puisqu'ils contiennent moins de lentilles que d'autres lentilles plus fortement corrigées, les pertes de réflexion interne sont minimisées.

Les objectifs semi-apochromatiques ou en fluorite offrent un degré plus élevé de correction des aberrations sphériques et chromatiques. Par conséquent, ils produisent des images de meilleure qualité que les achromats. Les objectifs apochromatiques ont le degré de correction le plus élevé, produisent les meilleurs résultats et sont plus chers. Les objectifs Plano ont une correction étendue pour la planéité du champ, ce qui réduit la fatigue oculaire, et sont fréquemment trouvés sur les microscopes modernes.

Avec les systèmes de lentilles parfocales, chaque objectif sur la tourelle porte-objectifs est presque mis au point lorsque la tourelle est tournée, empêchant la lentille frontale de l'objectif de frapper l'échantillon lorsque les lentilles sont commutées. De nombreux objectifs sont également à ressort, ce qui permet d'éviter d'endommager l'objectif. C'est plus un problème avec les objectifs à fort grossissement, car la distance de travail peut être très petite.

Certains objectifs sont conçus pour être utilisés avec de l'huile entre l'échantillon et la lentille frontale de l'objectif. Cependant, les lentilles à immersion dans l'huile sont rarement utilisées, car l'échantillon et la lentille doivent être nettoyés après utilisation. Cependant, ils fournissent des résolutions plus élevées que celles qui peuvent être obtenues lorsque de l'air se trouve entre la lentille et l'échantillon. Dans ce dernier cas, la NA maximale possible est de 0,95, tandis que les lentilles à immersion dans l'huile produisent une NA de 1,3 à 1,45 NA, en fonction de l'objectif et de l'huile utilisée. Des grossissements de 25x à 160× sont disponibles. L'utilisation d'huile rend également l'image plus nette, ce qui est précieux lors de l'examen d'échantillons à faible réflectivité, tels que le charbon ou la céramique.

Fig 4 Types d'objectif et d'oculaire

Oculaire – On l'appelle aussi lentille oculaire. L'oculaire (Fig 4) agrandit l'image principale produite par l'objectif. L'œil peut alors utiliser la pleine capacité de résolution de l'objectif. Le microscope produit une image virtuelle de l'échantillon au point de vision le plus distinct, normalement à 250 mm de l'œil. L'oculaire grossit cette image, permettant d'obtenir des grossissements utiles. L'oculaire standard a un champ de vision de 24 mm de diamètre tandis que les oculaires grand champ pour objectifs plan ont un champ de vision de 30 mm de diamètre, ce qui augmente la zone utilisable de l'image primaire.

L'oculaire le plus simple est l'oculaire Huygenian dont le design a été inventé par C. Huygens. Il se compose de deux lentilles plan-convexes avec leurs surfaces convexes faisant face à la lentille d'objectif. Il est satisfaisant pour une utilisation avec des objectifs achromatiques de faible et moyenne puissance. Les oculaires compensateurs sont utilisés avec un achromat NA élevé et les objectifs les plus corrigés. Étant donné que certaines corrections d'objectif sont effectuées à l'aide de ces oculaires, l'oculaire doit être adapté au type d'objectif utilisé.

La clairance oculaire est la distance entre le cristallin de l'oculaire et l'œil. Pour la plupart des oculaires, le dégagement oculaire est de 10 mm ou moins, ce qui est insuffisant si la personne qui utilise le microscope porte des lunettes. Les problèmes de vision simples, tels que la myopie, peuvent être résolus à l'aide du réglage fin de la mise au point. Les problèmes de vision tels que l'astigmatisme ne peuvent pas être corrigés par le microscope et des lunettes doivent être portées. Des oculaires à point oculaire élevé sont disponibles pour fournir le dégagement oculaire d'environ 20 mm nécessaire pour les lunettes.

Les oculaires sont normalement équipés de divers réticules ou graticules pour localiser, mesurer, compter ou comparer les microstructures. L'oculaire agrandit l'image du réticule ou du graticule et l'image primaire. Les deux images doivent être mises au point simultanément. Des oculaires spéciaux sont également produits pour permettre des mesures plus précises que celles qui peuvent être effectuées avec une échelle à réticule. Des exemples sont l'oculaire micrométrique à fil ou l'oculaire micrométrique à vis. De tels appareils peuvent être automatisés pour produire une lecture numérique directe de la mesure, qui est précise à environ 1 micromètre.

Un oculaire de grossissement 10× est normalement utilisé, cependant pour obtenir des grossissements standards, certains systèmes ont besoin d'autres grossissements, comme 6,3×. Des oculaires de plus grande puissance, tels que 1×, 15×, 20× ou 25×, sont également utiles dans certaines situations. Le grossissement global est obtenu en multipliant le grossissement de l'objectif, Mo, par le grossissement de l'oculaire, Me (Fig 2). Si un système de zoom ou un soufflet est également utilisé, le grossissement doit être modifié en conséquence.

Étape – Une platine mécanique est prévue pour focaliser et déplacer l'échantillon, qui est posé sur la platine et fixé à l'aide de clips. La platine d'un microscope inversé a des plaques centrales remplaçables avec des trous de différentes tailles. La surface polie est placée contre le trou pour la visualisation. Cependant, toute la surface ne peut pas être visualisée et, à des grossissements élevés, il n'est pas possible de focaliser l'objectif près du bord du trou en raison de la distance de travail restreinte. En cas de microscope droit, l'échantillon est placé sur une lame sur la platine. Comme la surface polie doit être perpendiculaire au faisceau lumineux, de l'argile est placée entre le fond de l'échantillon et la lame. Un morceau de tissu de lentille est placé sur la surface polie et l'échantillon est pressé dans l'argile à l'aide d'une presse de nivellement. Cependant, des morceaux de tissu peuvent adhérer à la surface de l'échantillon. Une alternative, particulièrement utile avec les échantillons montés, consiste à utiliser un anneau au lieu de tissu pour aplatir l'échantillon. Les formes annulaires en aluminium ou en acier inoxydable de la même taille que les montures (légèrement aplaties dans un étau) reposent sur la monture plutôt que sur l'échantillon.

Le microscope droit permet de visualiser toute la surface avec n'importe quel objectif, et l'opérateur peut voir quelle section de l'échantillon est visualisée. C'est une fonction utile lors de l'examen de zones spécifiques sur des échantillons revêtus, des soudures et d'autres échantillons où des zones spécifiques doivent être examinées. Pour les échantillons montés, un support de platine à nivellement automatique pour les montages peut éliminer le nivellement des échantillons sur l'argile.

La platine doit être rigide pour éliminer les vibrations. Le mouvement de la scène, contrôlé par des micromètres x et y, doit être régulier et précis et, par conséquent, un engrenage à crémaillère et pignon est normalement utilisé. De nombreux étages ont des échelles pour mesurer les distances dans les directions x et y. Les commandes de mise au point contiennent fréquemment des règles pour estimer le mouvement vertical. Certaines unités ont des platines motorisées et des commandes de mise au point.

Une plaque d'étage rotative circulaire peut faciliter l'examen en lumière polarisée. De telles étapes, communes aux études minéralogiques ou pétrographiques, sont graduées pour permettre de mesurer l'angle de rotation. Une scène rectiligne est normalement placée au-dessus de la scène circulaire.

Debout – Les microscopes de paillasse ont besoin d'un support rigide, en particulier si la photo-microscopie est effectuée sur l'appareil. Les différentes pièces du microscope sont fixées au support une fois assemblées. Dans certains cas, le microscope de table est placé sur un support séparé qui contient également le système photographique.

Défauts de lentille

De nombreux défauts de lentille résultent des lois de la réflexion et de la réfraction. L'indice de réfraction d'une lentille varie avec la longueur d'onde de la lumière et la distance focale de la lentille varie avec l'indice de réfraction. Par conséquent, la distance focale change pour différentes couleurs de lumière. Une image distincte pour chaque longueur d'onde présente est focalisée à différentes distances de la lentille. Il s'agit d'une aberration chromatique longitudinale (Fig 5). De plus, le grossissement varie avec la distance focale, modifiant la taille de l'image. Il s'agit d'une aberration chromatique latérale (Fig 5). Ces différences sont à éliminer pour produire des photographies en couleur. Comme les achromats ont des corrections limitées pour ces problèmes, ils doivent être utilisés avec un filtrage de la lumière jaune-vert pour obtenir des images nettes. L'aberration sphérique (Fig 5) se produit lorsque la lumière d'un objet ponctuel sur l'axe optique est plus fortement réfractée au centre ou à la périphérie de la lentille, produisant une série de positions focales dans lesquelles l'image ponctuelle apparaît comme un cercle de surface finie . Cela peut être minimisé en utilisant une ouverture qui limite l'utilisation de l'objectif à la partie centrale. La conception de l'objectif peut également corriger une partie de ce problème.

Puisque la surface d'image de mise au point optimale est incurvée, des oculaires de compensation avec une courbure égale mais opposée sont utilisés pour produire une image plate. D'autres problèmes, tels que le coma et l'astigmatisme, peuvent altérer la qualité de l'image s'ils ne sont pas corrigés.

Fig 5 Défauts de lentille

Résolution

Pour voir les détails de la microstructure, le système optique est nécessaire pour produire une résolution adéquate, ou un pouvoir de résolution, et un contraste d'image adéquat. Si la résolution est acceptable mais que le contraste manque, les détails ne peuvent pas être observés. En général, la capacité à résoudre deux points ou lignes séparés par une distance "d" est fonction de la longueur d'onde, "l", de la lumière incidente et de l'ouverture numérique, NA, de l'objectif. Cela suit l'équation 'd =k.l / NA', où k est 0,5 ou 0,61. La figure 6 montre cette relation pour k =0,61 et quatre longueurs d'onde lumineuses. D'autres formules ont également été rapportées. L'équation n'inclut pas d'autres facteurs qui influencent la résolution, tels que le degré de correction des objectifs et l'acuité visuelle de la personne regardant à travers le microscope. Il est basé sur le travail d'Abbe dans des conditions non présentes en métallographie, telles que des points auto-lumineux, un contraste noir-blanc parfait, un examen en lumière transmise, une source de lumière ponctuelle idéale et l'absence de défauts de lentille.

En utilisant l'équation du paragraphe précédent, la limite de résolution pour un objectif avec un NA de 1,4 est d'environ 0,2 micromètre. Pour voir des lignes ou des points espacés de 0,2 micromètre, le grossissement requis est à déterminer en divisant le pouvoir séparateur de l'objectif par le pouvoir séparateur de l'œil humain, difficile à déterminer dans les conditions d'observation. Abbe a utilisé une valeur de 0,3 mm à une distance de 250 mm qui est la distance de l'œil pour une vision optimale. Pour une lumière d'une longueur d'onde moyenne de 0,55 micromètre, le grossissement nécessaire est de 1 100 fois l'ouverture numérique de l'objectif. C'est l'origine de la règle des 1 000 NA pour le grossissement maximal utile. Tout grossissement supérieur à 1 000 NA est qualifié de "vide" ou inutile.

Le strict respect de la règle des 1 000 NA est à remettre en cause compte tenu des conditions dans lesquelles elle a été élaborée, certes très différentes de celles rencontrées en métallographie. Selon l'analyse d'Abbe, pour une personne utilisant un microscope optique avec une vision optimale de 20/20 et pour des conditions de contraste optimales et une longueur d'onde lumineuse moyenne de 550 nm, le grossissement le plus faible qui tire pleinement parti de la NA de l'objectif est de 550 fois la NA . Ceci établit un grossissement minimum utile à utiliser avec un objectif donné. Il a été suggéré que la limite supérieure du grossissement utile pour la personne moyenne utilisant un microscope optique est de 2 200 NA, pas 1 000 NA.

Fig 6 Relation entre la résolution et la profondeur de champ avec ouverture numérique

Profondeur de champ

La profondeur de champ est la distance le long de l'axe optique sur laquelle les détails de l'image sont observés avec une clarté acceptable. Les facteurs qui influencent la résolution affectent également la profondeur de champ, mais dans le sens opposé. Il faut donc trouver un compromis entre ces deux paramètres, qui devient plus difficile à mesure que le grossissement augmente. C'est l'une des raisons pour lesquelles la gravure légère est préférée pour les examens à fort grossissement.

Modes d'examen

Pour atteindre la capacité de résolution de l'objectif sélectionné, le contraste de l'image doit être adéquat. Le contraste de l'image dépend de la préparation de l'échantillon et de l'optique. Les différences de réflectivité de la lumière de la surface de l'échantillon produisent des caractéristiques d'amplitude visibles à l'œil après grossissement. Les différences de phase créées par la réflexion de la lumière doivent être rendues visibles par l'utilisation d'accessoires à contraste de phase ou à contraste d'interférence au microscope.

Éclairage en champ clair – L'éclairage vertical en fond clair, la méthode d'observation la plus largement utilisée, représente la grande majorité des micrographies prises. En fonctionnement, la lumière traverse l'objectif et frappe la surface de l'échantillon perpendiculairement. Les caractéristiques de surface normales à la lumière incidente réfléchissent la lumière à travers l'objectif vers les oculaires, où les caractéristiques de surface apparaissent brillantes. Les surfaces obliques par rapport au faisceau lumineux réfléchissent moins de lumière vers l'objectif et apparaissent plus sombres, selon leur angle.

Éclairage oblique – Avec certains microscopes, il est possible de décentrer l'ensemble condenseur ou le miroir pour que la lumière traversant l'objectif frappe la surface de l'échantillon selon un angle non perpendiculaire. La rugosité de la surface de l'échantillon projette des ombres, produisant un aspect tridimensionnel. Cela permet de déterminer des éléments en relief ou en creux. Cependant, très peu d'obliquité peut être introduite, car cette technique rend l'éclairage non uniforme et réduit la résolution.

En éclairage sur fond noir – Dans l'éclairage sur fond noir, la lumière réfléchie par les éléments orientés obliquement est collectée et les rayons réfléchis par les éléments normaux au faisceau incident sont bloqués. Par conséquent, le contraste est essentiellement inversé par rapport à celui de l'éclairage en fond clair; c'est-à-dire que les caractéristiques qui sont lumineuses dans un éclairage à fond clair apparaissent sombres et que les caractéristiques normalement sombres apparaissent lumineuses. Cela produit un contraste d'image très fort, les traits obliques apparaissant lumineux. Dans de telles conditions, il est souvent possible de voir des éléments non visibles en utilisant un éclairage en fond clair. Cette méthode est particulièrement utile pour l'étude des structures granulaires. Cependant, la faible intensité lumineuse rend la photo-microscopie plus difficile, un problème atténué par l'utilisation d'appareils de contrôle automatique de l'exposition.

Lumière polarisée – La lumière polarisée, telle qu'utilisée en métallographie, a normalement été limitée à l'observation de certains métaux optiquement anisotropes, tels que le béryllium, l'alpha-titane, le zirconium et l'uranium, qui sont difficiles à graver mais répondent bien à la lumière polarisée lorsqu'ils sont correctement polis. Before development of the electron micro-probe analyzer (EMPA) and energy dispersive spectroscopy (EDS), polarized light examination was an integral part of the method for identifying inclusions. Since the development of these instruments, polarized light has been used less frequently for this purpose, since identification with the EMPA or EDS techniques is more definitive. Most metallurgical microscopes now use synthetic Polaroid filters. The ‘polarizer’ is placed in the light path before the objective, and the ‘analyzer’ is placed in the light path after the objective, normally just below the eyepiece.

Light consists of transverse waves vibrating in all directions at right angles to the direction of propagation. These vibrations occur symmetrically around the direction of propagation and are unpolarized. When light passes through a polarizing filter, the vibrations occur in only one plane in the direction of propagation, and the light is termed plane polarized. This plane changes as the filter is rotated. When the analyzer filter is placed in the light path, plane polarized light passes through it if the plane of vibration of the light is parallel to the plane of vibration of the analyzer. If the plane of vibration of the analyzer is perpendicular to that of the light the light does not pass through, and extinction results. When plane-polarized light is reflected from the surface of an isotropic metal (any metal with a cubic crystallographic structure, such as iron), then passes through the analyzer in the crossed position (plane of vibration perpendicular to that of the plane-polarized light), the image is extinguished, or dark. However, in practice, since the metallurgical microscope does not produce perfectly plane-polarized light, complete extinction does not occur. This is not a serious problem, since polarized light is used only in a qualitative manner in metallography. Strain-free objectives, normally achromats, are to be used. Fluorite or apochromatic objectives are unsuitable. A strong white-light source is needed to produce accurate colour effects.

If an optically anisotropic, polished metal is placed under the light beam with the polarizer and analyzer crossed, the microstructure is revealed. The quality of sample preparation is very important, and the surface is to be perpendicular to the light path. Rotation of the sample under the beam changes light intensity and colour. Since it is difficult to set the polarizer and analyzer in the crossed position accurately when an anisotropic sample is in place unless the crossed positions are marked on the polarizer and the analyzer, it is best to find this position first using an isotropic sample.

When plane-polarized light strikes an anisotropic metal surface, reflection occurs as two plane-polarized components at right angles to each other. The directions vary with crystal structure. The strength of these two perpendicular reflections can change, and a phase difference exists between them. These differences vary with each metal and depend on the crystal orientation. No reflection is obtained when the basal plane of hexagonal or tetragonal crystals is perpendicular to the light beam. Maximum reflectance occurs when the principal symmetry axis of the crystal is perpendicular to the light beam. The resultant image is predominantly influenced by these orientation effects with phase differences are of little significance.

When the analyzer is crossed with respect to the polarizer, rotation of plane-polarized light from the anisotropic surface allows the light to pass through the analyzer, producing an image in which each grain has a different light intensity and colour, depending on its crystal orientation relative to the light beam. As the stage is rotated, each grain changes four times in intensity from light to dark during a 360 degree rotation. If the phase difference is appreciable, the light is elliptically polarized, the difference in intensity in each grain with rotation is less, and extinction is not observed. Colour images are obtained when the reflected plane-polarized light varies with wavelength. When little colour is present, a sensitive tint plate inserted between the polarizer and the objective enhance colouration.

Isotropic metals can be examined using crossed-polarized light if the surface can be rendered optically active by etching, staining, or anodizing. Procedures have been developed for several metals, however, all etched surfaces do not respond to polarized light. Normally, the etch s to produce etch pits or facets in each grain to cause double reflection at these features. Grains with different crystal orientations produce differently oriented pits or facets, yielding different degrees of elliptical polarization and hence varying light intensity. Anodizing produces a thick oxide film on the sample surface and irregularities in the film lead to double reflection.

Although the polarization response of anodized samples has been attributed to optical anisotropy of the film, experimentation has shown that the effect is due to film surface irregularities. Tint etchants produce surface films which result in interference colours which can be enhanced using polarized light. In general, best results are achieved when the analyzer is shifted slightly from the crossed position. In addition to its use in examining inclusions, anisotropic metals (antimony, beryllium, bismuth, cadmium, cobalt, magnesium, scandium, tellurium, tin, titanium, uranium, zinc, and zirconium, for example), and etched / anodized/ tint-etched cubic metals, polarized light is useful for examination of coated or deformed metals. Phase identification can also be aided in some cases. The internal structure of graphite nodules in cast iron is vividly revealed using polarized light. Martensitic structures are frequently better revealed using polarized light, which illustrate lath martensite in a high-strength iron-base alloy.

Phase contrast illumination – It permits examination of subtle phase variations in microstructures with little or no amplitude contrast from differences in the optical path at the surface (reflected light) or from differences in the optical path through the sample (transmitted light). Differences of height as small as 0.005 micrometers can be detected. Application of phase-contrast illumination in metallography has been limited. The technique needs a separate set of objectives and a special vertical illuminator.

Interference-contrast illumination – Differential interference-contrast illumination produces images with emphasized topographic detail similar to those observed using oblique illumination. Detail which is invisible or faintly visible using bright-field illumination can be revealed vividly with interference-contrast illumination. Examples of the topographic detail which can be revealed using differential interference-contrast illumination are the relative hardness of the constituents or the nature of the etching process, that is, which areas or constituents are attacked by the etchant. In some cases, other aspects of the structure can be revealed which are invisible or faintly visible in bright-field illumination.

Interference techniques – Several interference techniques are used to measure height differences on samples. Interference fringes on a perfectly flat surface appear as straight, parallel lines of equal width and spacing. Height variations cause these fringes to appear curved or jagged, depending on the unit used. The interference microscope divides the light from a single point source into two or more waves which are superimposed after traveling different paths. This produces interference. Two-beam and multiple-beam instruments are the two basic types of interferometers used. The measurements are based on the wavelength of the light used. Two-beam interferometers can measure height differences as small as ‘l’/20; multiple-beam interferometers, as small as ‘l’/200.

The Linnik-type interferometer is a two-beam reflecting microscope which uses non-polarized light. A beam-splitting prism produces two light beams from a monochromatic light source. One beam travels through the test piece objective to the test piece surface and is reflected back through the objective to the eyepiece. The other beam travels through the reference objective, strikes an optically flat reference mirror, and returns to the beam splitter, then to the eyepiece. If the path difference between the two beams is not equal or not a multiple of ‘l’/2, interference occurs and contour lines are formed which indicate locations of equal elevation. The height difference between adjacent fringes is ‘l’/2.

The Tolansky multiple-beam interferometer produces interference between many light beams by placing a reference mirror which is partially transmitting and partially reflecting very near the sample surface but slightly out of parallel. The reference mirror has a known reflectivity selected to approximate that of the surface. Light passes through the reference mirror and strikes the sample surface, is reflected by the sample surface, and interferes with the rays reflected between the reference mirror and the sample. The fringes produced by the multiple-beam interferometer are sharper than those from the two-beam interferometer, which accounts for the greater accuracy. The distance between the fringes is also ’l’/2. Elevations produce displacements of the fringes from parallel alignment. The displacement is compared to the distance between the fringes to obtain height measurements.

Light-section microscopy – The light-section microscope, also used to measure surface topography, complements interference techniques. Roughness differences from 1 micrometer to 400 micrometers can be measured, which is useful in examining machined surfaces and for measurement of surface layers or films. In operation, a slit is placed near the field iris in the illumination system and is imaged by an objective as a light line on the surface to be measured. Oblique illumination is used with a dark background. The light band is observed using a second objective which is identical to the first. The objectives are 45 degrees to the sample surface and 90 degrees to each other. A reticle in the eyepiece is used for measurements, or they are made on photographs. Vertical resolution is not as good as with interferometers, but lateral resolution is better.

Auxiliary techniques

Several special devices can be used with the optical microscope to get additional information. These techniques are described below.

Micro-hardness testing – Micro-indentation hardness data can be obtained by adding indenter attachments to the microscope. Single-purpose units also are made by many manufacturers of hardness test equipment. Loads are normally made from 1 g (gram) to 1,000 g, although some manufacturers have units for low loads (0.05 g to 200 g). Knoop or Vickers indenters can be used.

Hot-stage microscopy – Hot-stage microscope cells are available from several manufacturers. Single-purpose units can also be used. Cold-cell attachments have also been produced, but have rather limited use in metallography. The hot-stage microscope has been used to study phase transformations on heating or cooling or at constant temperature. Examination of reactions in the hot-stage microscope cell needs use of long-working-distance objectives, since the sample is held within the cell. Moreover, since the cell window is quartz, the objectives is to be quartz-corrected, especially those with magnifications of 20× or more.

Techniques other than chemical etching are to be used to view phase changes. Grain boundaries are to be thermally etched if the sample is held at a constant temperature in the vacuum. Grain-boundary grooving is easily observed using bright field illumination. Phase transformations are visible by the relief produced at the surface. Hence, shear reactions, such as those produced by martensite or bainite formation, are most easily observed. Other phase transformations are more difficult or impossible to observe. Transformations can be photographed in situ, for which motion picture cameras are normally used.

Special stages – These are available in a variety of configurations. Auto leveling stages for mounted samples are a typical example. Universal tilting stages have also been made for rapid manipulation of rough, irregular samples. Special stages have also been designed for handling small objects. A number of stages have been made for performing in situ experiments. Basic studies of solidification have been performed by in situ observation of the freezing of low-melting-point organic materials, such as camphene, which solidify like metals. Observation of the recrystallization of low-melting-point metals and alloys has been similarly observed. Special stages have been used to observe the progress of electrolytic polishing and etching. Cells have also been used for in situ examination of corrosion processes. Stages have been designed to observe a variety of processes involving static or dynamic stress, and devices have also been designed to permit physical extraction of inclusions.

Hot-cell microscopy – Metallographic preparation of radioactive materials needs remote-control preparation using specially designed hot cells. Special microscopes have been designed for use with the hot cell.

Field microscopy – When the microstructure of a component or large object which cannot be cut and moved to the laboratory is to be examined, portable laboratory equipment, made by several manufacturers, can be used to polish a section in situ. A portable microscope can be sometimes used to examine and photograph the microstructure. If this cannot be done, replicas can be made and examined using an optical microscope or an electron microscope.

Comparison microscopes – The need occasionally arises to compare two microstructures. Normally, this is carried out by placing micrographs from each sample side-by-side, but it can also be performed using special microscopes. A bridge comparator is used to combine images from two bench microscopes for simultaneous viewing.

Television monitors – Projection microscopes can be used for group viewing, but it is more common to display the microstructure on a black-and-white or colour monitor. A number of high-resolution closed-circuit systems are available.

Clean-room microscopy – The study of small particles is influenced by dust contamination during viewing. Hence, such work is to be performed in a clean box, clean bench, or clean room which is specially made to provide a dust free environment.

Image analyzers – The increased use of quantitative metallography, particularly for characterization of inclusions, has promoted development of automated image analysis systems based on television principles. Phases or constituents of interest are detected primarily by differences in light reflectivity which produce gray-level differences on the monitor. Majority of the stereological measurements can be made using these systems. Considerable automation has been achieved using automated stages and powerful minicomputers. Although these devices can be quite expensive, they have stimulated interest in stereology and its application to structure-property correlations.

Features are detected on as-polished or etched samples, depending on the nature of the feature of interest. If etching is needed, selective techniques are normally used. Field and feature-specific measurements are utilized. Field measurements measure all the detected features simultaneously, as in volume fraction measurements. In feature-specific measurements, each separate particle is measured sequentially. This procedure is normally used for shape and size measurements.

Some structures do not lend themselves to accurate measurements using such systems. For example, quantification of fracture surface detail cannot be performed using an automatic image analyzer, since the device cannot separate fracture features by gray level. Many transmission electron micrograph structures also cannot be analyzed using these devices. For such structures, semi-automatic tracing devices can be used with the operator performing detection with a light pen or stylus. These lower-cost systems can be used for nearly any stereological measurement. Because of the greater time needed for detection, they are less suitable for measurement problems which need sampling of many fields.

Photo-microscopy

Prior to the development of photographic attachments, microstructures were to be sketched. Although the need for such documentation is no more there, sketching remains useful as a teaching method. Photo-microscopy is important in metallography, since the photo-micrograph can faithfully reproduce the detail observed for others to view. With the equipment presently available, high-quality micrographs are easily produced. However, this needs careful attention to sample preparation, etching, and use of the microscope. Reproduction of false microstructures is all too common and has caused inaccurate interpretations, rejection of good materials, and faulty conclusions in failure analyses.

Historically, darkroom photographic procedures have been most prevalent. Since the introduction of instant photographic processes such as Polaroid, however, many photo-micrographs have been made using these materials, taking advantage of their speed and efficiency. However, image reproduction is sacrificed, and the process is to be repeated for each extra copy. Use of an automatic exposure device is necessary with instant process film to minimize waste. Traditional darkroom photographic methods need more effort, but yield better micrographs. Considerable automation in wet darkroom processes is possible, but frequent use of photo-microscopy is needed to justify the cost of such equipment.

Obtaining good micrographs needs adequate image contrast and resolution, uniform focus over the entire field, uniform lighting, and adequate depth of field. The light source is to be properly aligned, and the system is to be free of vibration. The yellow-green filter is to be employed to correct lens defects. The optics is to be clean, and the field and aperture diaphragms are to be adjusted correctly. The microscope is focused in a variety of ways, depending on the model. Several film formats can be used, such as plates, sheet film of different size, or 35-mm roll film. The magnification at the film plane is to be known. This is a simple procedure if the only variables are the objective and eyepiece magnification, but is more difficult when using a zoom system or bellows. A stage micrometer can be utilized to determine the true magnification.

A range of black-and-white and colour films is available for darkroom or instant techniques. The manufacturers of these films document film characteristics. Black-and-white films are normally used due to their lower cost. They show better contrast control, are easier to process, and are normally quicker to use than colour films. Colour film has some important uses for which its cost is justified. In traditional black-and-white photography, a negative image is produced first and is used to produce a positive image of the microstructure on suitable paper. The micrograph lasts for many years without any apparent change. Selection of the negative film is based on the format available, colour sensitivity, contrast, resolving power, speed, graininess, and exposure and development latitudes.

Some black-and-white films are not sensitive to the entire visible spectrum. Orthochromatic films are sensitive to all colours except orange and red. Panchromatic films are sensitive to all colours, although they emphasize blue and de-emphasize yellow. A yellow filter can be used to reduce this colour bias.

Orthochromatic films can be developed under dark red light, but panchromatic films need total darkness. Orthochromatic films are very good for photo-microscopy, particularly when a yellow-green filter is inserted to correct lens defects.

Film speed is a critical variable only when illumination is low, as in polarized light, interference-contrast, or dark-field illumination. Orthochromatic film has a medium contrast which is adequate for most structures. Contrast can be enhanced with a high-contrast film. The resolving power of a film defines its ability to record fine details in the image. Hence, a high-resolving-power film is desirable. Graininess depends on the size of the silver grains in the emulsion, the developer used, and the development time and temperature. High-speed films are grainier than low-speed films, making them less suitable for enlarging. Contact printing is preferred. It needs a large film size, but saves enlargement time. It produces better images and eliminates re-determining the magnification of the print. A fine-grain film provides the best resolution.

When a negative is exposed, there is an allowable range of exposures which produces a useful, printable negative. Wide exposure latitude is quite valuable. Each film includes information on its characteristic relationship between exposure time and density. The exposure selected is to be on the linear portion of the density-time curve. A good, dense negative allows suppression of some of the fine image defects during printing. An underexposed negative greatly restricts printing and normally results in a poor print. Development of negatives is rather simple and involves use of a developing solution, a stop bath, a fixing solution, as well as washing and drying.

The correct exposure is most easily determined using a built-in exposure meter. If this is not available, a test exposure series can be made. This is accomplished by pulling out the film slide completely and exposing the entire film for a time judged to be considerably shorter than that needed. The slide is then inserted so that it covers around 10 mm to 20 mm of the film, and the exposure is repeated. This is repeated incrementally until the slide is fully inserted, covering the film. After development, the correct time can be assessed based on the density of the negative in each band.

Alternatively, the step exposure can be performed using an instant film of the same speed, saving the darkroom time. Majority of the black-and-white films are contact printed. The negative is placed emulsion side up on the contact printer, and a suitable paper is placed emulsion side down over the negative. The printer is closed, and light is passed through the film onto the paper. The print is developed, stopped, fixed, washed, and dried. Print contrast is controlled by the type of paper and development time. Print contrast types vary from extra-soft (flat) to extra-contrast (grades 1 to 5). Number 3 paper is used most frequently. Number 4 paper is used to increase contrast, and No. 2 paper to reduce contrast.

Instant process films eliminate the darkroom work, thus hastening the process. Polaroid prints use the diffusion-transfer reversal process. Development begins when the film is removed from the camera after the exposure. The action of pulling the film out of the camera crushes a pod containing the viscous, caustic developer and spreads it over the film. Black-and-white films develop rapidly while the colour prints need slightly more time. Some of the Polaroid films have very high speeds, an advantage in dim lighting. Some prints are to be coated with a neutralizing stabilizer / protective varnish to prevent staining and fading. Also available are instant films which produce a negative and a positive print. This negative is to be cleared, but a darkroom is not required. Polaroid films used in microscopy are all panchromatic. They are available as roll film, film packs, or sheets. Exposure times are to be more accurately controlled to get good prints than with traditional wet-process films.

Macro-photography

Examination and photography are frequently needed for such objects as macro-etched disks and broken parts. Examination can be performed visually or with the aid of a simple hand lens or stereo-microscope. Macro-photography can be performed using majority of the cameras, perhaps aided by the use of close-up lens attachments, a bellows, or a macro-lens. Many stereomicroscopes can be equipped with cameras for photography while some takes stereo-pairs. A few manufacturers offer camera stands for macro-photography. Some metallographs also have low-magnification objectives which can perform certain types of macro-photography.

Macro-photography utilizes magnifications from less than 1× to 50×. Most laboratories, especially those engaged in failure analyses, have various cameras, light sources, and stereo-viewers to cover the wide range of objects photographed. Correct lighting is necessary to emphasize details and provide even illumination without glare or reflection. Adjustment of lighting needs some experimentation and experience. Available lighting includes flood lamps, rings, coaxial, or fiber optics. A light box is useful for eliminating shadows, but considerable creativity is needed to achieve good results.

Depth of field and resolution are important variables. Many of the objects to be photographed are three-dimensional, which needs a certain depth of field and proper lighting to reveal shape and texture. Depth of field varies with the aperture diaphragm lens setting, the magnification, and the focal length of the lens. Stopping down the aperture improves depth of field, but decreases image brightness and clarity. Depth of field also increases as magnification decreases and focal length increases. For magnifications below 5×, focal lengths of 100 mm or more are preferred. Shorter-focal-length lenses are used for higher magnifications.