光學(xué)金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)與使用

1、第一章 光學(xué)金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)與使用在使用金相顯微鏡時必須注意以下幾點：1、 注意個人衛(wèi)生，嚴禁用濕手操作或?qū)途凭鹊脑嚇臃旁陲@微鏡載物臺上。2、 裝卸或調(diào)換鏡頭或其它部件時，動作要穩(wěn)而輕。特別是換物鏡時，必須將鏡頭放穩(wěn)后才能放手。3、 調(diào)焦時，一邊用肉眼觀察鏡內(nèi)視場，一邊轉(zhuǎn)動粗調(diào)螺絲，將物鏡調(diào)至接近試樣表面，直到視場中出現(xiàn)試樣組織輪廓時，再換用細調(diào)螺絲調(diào)節(jié)直至組織清晰為止。然后調(diào)節(jié)孔徑光欄和視場光欄，使成象最清晰。4、 嚴禁用手、手帕、衣服、紙等擦物鏡和目鏡。必須用鏡頭紙輕輕擦拭，嚴禁用嘴吹鏡頭上的灰塵。5、 如果鏡頭上有油等污漬，用鏡頭紙沾上二甲苯輕輕擦洗，嚴禁用酒精、汽油擦洗。6、

2、使用完畢，應(yīng)立即關(guān)掉電源，用粗調(diào)螺絲將物鏡調(diào)節(jié)遠離載物臺上的樣品，然后取下樣品。蓋好防塵罩。7、 嚴禁隨意拆卸任何零件。一、原理概述金釘分析是人們通過金相顯微鏡來研究金屬和合金顯微組織大小、形態(tài)、分布、數(shù)量和性質(zhì)的一種方法。顯微組織是指如晶粒、包含物、夾雜物以及相變產(chǎn)物等特征組織。利用這種方法來考查如合金元素、成分變化及其與顯微組織變化的關(guān)系：冷熱加工過程對組織引入的變化規(guī)律；應(yīng)用金相檢驗還可對產(chǎn)品進行質(zhì)量控制和產(chǎn)品檢驗以及失效分析等。1金相顯微鏡的成象原理簡介人眼對客觀物體細節(jié)的鑒別能力是很低的，一般是在0.150.30mm間。因此，觀察認識客觀物體的顯微形貌，必需藉助顯微鏡。顯微鏡放大的光

3、學(xué)系統(tǒng)由兩級組成。第一級是物鏡，細節(jié)AB通過物鏡得到放大的倒立實角A1B1。A1B1的細節(jié)雖已為被區(qū)分開，但其尺度仍很小，仍不能為人眼所鑒別，因此，還需第二次放大。第二級放大是通過目鏡來完成。當(dāng)經(jīng)第一級放大的倒立實象處于目鏡的主焦點以內(nèi)時，人眼可通過目鏡觀察到二次放大的A3B3的正立虛象。(1) 物鏡的成象根據(jù)幾何光學(xué)可知，當(dāng)被觀察的物體處于該透鏡的一倍焦距與二倍焦距之間時，物體的反射光通過物鏡經(jīng)折射后在透鏡的另一側(cè)可以得到一個放大的倒立實像。為了充分發(fā)揮物鏡的能力，一般設(shè)計時是讓被觀察物體處于很接近于焦點處，因此計算其放大倍數(shù)時可以用物鏡的焦距f。見圖1-1。式中：f物接物鏡焦距； LF1到

4、實象間的距離； M物物鏡放大倍數(shù)。(2) 目鏡的成象 同樣據(jù)幾何光學(xué)成象規(guī)律可知，當(dāng)被觀察物體處于該透鏡的一倍焦距以內(nèi)時，人眼通過透鏡觀察，可以在250mm遠處看到一個放大了的正立虛象(250mm在這里稱為明視距離)。見圖1-2。目鏡的放大倍數(shù)圖1-2 目鏡放大成象原理圖式中：f目目鏡的焦距； 250人眼的明視距離(mm)/； M目目鏡的放大倍數(shù)。 (3) 顯微鏡的成象圖1-3 顯微鏡成象原理圖被觀察物體的細節(jié)經(jīng)物鏡放大后的實象落到目鏡主焦點以內(nèi)后，人眼觀察可看到經(jīng)兩次放大后的虛象。A3B3虛象就是經(jīng)物鏡和目鏡兩次放大后的組合物象。見圖1-3。以上是從幾何光學(xué)出發(fā)進行的簡述，有關(guān)物理光學(xué)成象請

5、參考實驗技術(shù)參考之一。顯微鏡總的放大倍數(shù)2透鏡的象差物鏡是顯微鏡中最重要的光學(xué)器件。現(xiàn)代物鏡多是由多塊透鏡組合成的復(fù)合透鏡構(gòu)成。物鏡的放大倍數(shù)主要決定于物鏡前透鏡的尺寸及曲率。前透鏡以后的一系列透鏡稱為“后透鏡”，后透鏡主要是為了校正透鏡的象差，以達到提高成象質(zhì)量的目的。軸上向差軸外象差球面象差 慧形象差象 散象域彎曲象差單色象差多色象差橫向色差縱向色差透鏡的象差按其產(chǎn)生的原因一般作如下分類：以上的象差對顯微鏡成象影響最大的是球面象差、象域彎曲和多色象差。以下予以簡介：(1) 球面象差產(chǎn)生的原因是由于球面單片透鏡的中心與邊緣厚薄不同，即使是單色光通過時也將產(chǎn)生不同的折射，通過透鏡后不焦集于一點

6、，軸上象點被一個彌散的光斑所代替，這就是球面象差。為了改善球面象差，現(xiàn)在都采用復(fù)合透鏡，即在主透鏡前加一發(fā)散凹透鏡。盡管如此，并不能完全消除，因此在使用顯微鏡是坷通過適當(dāng)調(diào)節(jié)孔徑光闌的大小加以改善。見圖1-4。(2) 象域彎曲直立物體通過透鏡后得到彎曲的映象，稱為象域彎曲。其形成原因是由遠軸細光束傾斜射入透鏡造成的。這種象差對金相顯微攝影尤為不利，所以在金相攝影時；應(yīng)選用平面消色差和平面復(fù)消色差物鏡，因為它們對視場邊緣進行了色差校正。見圖1-5。(3) 多色象差多色象差是指白色光通過透鏡后，由于折射引起光的分解（色散）所造成的一系列采色群象現(xiàn)象。其中又分為縱向色差和橫向色差。縱向色差是指從軸上

7、某一點發(fā)出的非單色光的光束，由于組成中包括有不同（）的光波，將會發(fā)生色散，致使這些光線交于軸上不同的點，形成一系列群象的色差現(xiàn)象。見圖1-6。橫向色差。由于各種顏色光線折射率不同，故焦距也不同，但因為放大倍數(shù)與焦距有關(guān)，所以目的物上不在軸上的點在離軸不同的距離處成象，這時便產(chǎn)生橫向色差，也有稱為放大色差的。見圖1-7。3物鏡和目鏡圖1-4 球面象差圖1-5 象域彎曲圖1-6 多色象差圖1-7 橫向色差顯微鏡的主要光學(xué)器件是物鏡和目鏡。顯微鏡的成象質(zhì)量、鑒別能力、有效放大倍數(shù)主要決定于物鏡，因此，以下將著重于物鏡的介紹。(1) 物鏡的類型物鏡的類型是根據(jù)透鏡的象差、色差校正程度來分類的。其分類和

8、校正情況參見表1-1。表1-1 物鏡的幾種類型物鏡種類對象域中心的校正對視場邊緣的校正色 差球 差消色差物鏡校正紅、綠兩波區(qū)校正黃、綠兩波區(qū)未校正平面消色差物鏡校正紅、綠兩波區(qū)校正黃、綠兩波區(qū)已校正復(fù)消色差物鏡校正紅、綠、紫三波區(qū)校正綠、紫兩波區(qū)未校正平面復(fù)消色差物鏡校正全波區(qū)校正綠、紫兩波區(qū)已校正(2) 物鏡的性質(zhì)a. 放大倍數(shù)：物鏡的放大倍數(shù)，是指物鏡在線長度上放大實物倍數(shù)的能力指標。有兩種方法，一種是直接在物鏡上刻度出如8X、10X、45X等；另一種則是在物鏡上刻度出該物鏡的焦距f，焦距越短，放大倍數(shù)越高。前一種物鏡放大倍數(shù)公式為，L是光學(xué)鏡筒長度，L值在設(shè)計時是很準確的，但在實際應(yīng)用時

9、，因不好量度，常用機械鏡筒長。機械鏡筒長度是指從顯微鏡目鏡接口處到顯微鏡上物鏡上物鏡接口處之直線距離。每一物鏡上都用數(shù)字標明了機械鏡筒長度，在使用中如選用另一臺顯微鏡的物鏡時，其機械鏡筒長度必須相同，這時倍數(shù)才有效。否則，顯微鏡的放大倍數(shù)應(yīng)予修正，應(yīng)為：式中： C-為修正系數(shù)。修正系數(shù)可用物鏡測微尺和目鏡測微尺定度出來。b. 數(shù)值孔徑：數(shù)值孔徑是反映物鏡的集光能力。集光能力與進入物鏡之光線錐所張開的角度-孔徑角有重要關(guān)系。根據(jù)理論的推算和試驗證明：顯微鏡對于試樣上細微部分的鑒別能力，主要決定于孔徑角的大小。孔徑角越大從試樣上反射進入物鏡的光線就越多，鑒別能力就高，呈象鮮明。在物鏡上可以看到標有

10、0.30或0.65或0.95等數(shù)值，這就是“數(shù)值孔徑”的數(shù)值。數(shù)值孔徑通常以符號“N.A”或“A”表示。見圖1-8。N·A=n·sin式中：n-物鏡與觀察物之間的介質(zhì)折射率； -物鏡孔徑角的半角，亦可稱角孔徑。 從上式中可以看出，n和越大，N·A值也越大。增大物鏡孔徑角，使N.A值增大有幾種辦法。一是增大透鏡直徑(見圖1-9)，但物鏡直徑的增大會使球面象差和色象差增大，因此，在顯微物鏡中一般不采用。第二是通常采用的圖1-10 縮短物鏡焦距圖1-11 增大介質(zhì)的折射率圖1-8 物鏡聚光圖1-9 增大透鏡經(jīng)縮短焦距的辦法(見圖1-10)。第三種辦法是增 大介質(zhì)折光率(

11、見圖1-11)，一般物鏡與物體間的介質(zhì)是空氣，光線在空氣中的折射率n=1，若物鏡與試樣之間滴入一種折射率大又能透光的介質(zhì)油，最常用的介質(zhì)是松柏油(n=1.515)，其數(shù)值孔徑將大大提高。從圖1-11可以看出，同樣直徑、焦距的物鏡，因為改變了介質(zhì)，將會明顯提高物鏡的數(shù)值孔徑值。物鏡在設(shè)計和使用中指定以空氣為介質(zhì)的稱干系物鏡；指定需加油作為介質(zhì)使用的稱油浸物鏡。物鏡的孔徑角一般不超過140°。因此=70°，則sin=0.94，對于干系物鏡最大數(shù)值孔徑N.A=0.94；而對于油鏡，因為介質(zhì)為松柏油（n=1.515），則其最大數(shù)值孔徑N.A=1.42。當(dāng)用-壹代溴荼為介質(zhì)時，n=1

12、.658，最高數(shù)值孔徑可達1.60。c. 物鏡的標記表1-2 國內(nèi)外顯微鏡物鏡常用標記物鏡類型國內(nèi)用標記國外用標記消色差物鏡復(fù)消色差半復(fù)消色差平場消色差平場復(fù)消色差偏光相襯長焦距油浸系/FSBFPCPFPGXCCJY或油AchromaticApochromatic PlanachromaticPlanapochromaticPolPhaco Oil或Oel、Hl。Ol表1-3 倍率色環(huán)(物鏡外殼有1mm寬的槽，槽內(nèi)涂漆)倍率410254063100顏色藍紫綠黃紅白數(shù)學(xué)符號識別(見圖1-12)如 10/0.65 表示放大40×，N.A=0.65：圖1-12 物鏡性能

13、標志160/0 表示機械鏡筒長為160mm，不用蓋玻片；或 /0 表示機械鏡筒長為，不用蓋玻片。d. 物鏡的鑒別能力：顯微鏡的鑒別能力主要決定于物鏡。物鏡的鑒別能力可分為平面和垂直鑒別能力。圖1-13 發(fā)光點衍射斑平面鑒別能力是指物鏡對顯微組織所能獲得清晰可分映象的能力。分辨率一般用能分辨兩點間最小距離d的倒數(shù)(1/d)表示。一般來講從實用的角度分辨率只是一個比較數(shù)。而兩點間最小距離d對實用有重要意義。圖1-14 物鏡分辨能力由于光的衍射現(xiàn)象，試樣上的一點經(jīng)過物鏡造象后，它在成象平面上會得到一個比原來的點大一些的圓形光斑(圖1-13)。如果試樣上有兩個相鄰的點，象平面上就會有兩個鄰的光斑，如果

14、兩物點的距離過小，物鏡不能分辨時，對應(yīng)的光斑重疊，這時就不能分辨兩物點的映象(見圖1-14)。顯微鏡的平面鑒別能力可由下式求得式中：入射光源的波長； N.A物鏡的數(shù)值孔徑。從上式中可以看出，當(dāng)為定值時N.A值越大，d值越小，說明顯微鏡能分辨的最小間距值越小，物鏡的鑒別能力越高。當(dāng)值越小，d值也會小。取白色光的平均波長為0.00055mm；如前述一般物鏡孔徑角不會超過140°，使用香柏油作介質(zhì)和油浸物鏡，經(jīng)用上式計算d0.0002mm。這就是一般顯微鏡的極限分辨能力。垂直鑒別能力又稱為景深，是物鏡對高低不平的物體清晰造象的能力。這時的深度是指在平面獲得清晰造象時，在聚焦平面前、后之間高

15、低不平的物體能較清晰成象時的距離。垂直鑒別能力h可由下式求得：式中：n介質(zhì)折光率；入射光源的波長；M顯微鏡放大倍數(shù)；N.A數(shù)值孔徑。(3) 目鏡經(jīng)過物鏡放大的象(區(qū)分開的細節(jié))往往尺度還很小， 還不能為人眼所分辨。目鏡能起到再放大的作用，使在顯微觀察時，在明視距離處能看到一個清晰放大的虛象；而在顯微攝影時，通過投射目鏡能在承影屏上得到一個放大倒立的實象。某些物鏡(如補償目鏡)除放大作用之外，還能將物鏡造象的殘余象差予以校正。由于入射光束接近平行，目鏡的角孔徑極小，故目鏡本身的鑒別能力甚低，它的主要功能是將物鏡的初步映象再次進行放大供人眼觀察。目鏡按其構(gòu)造型式，可分為負型(福根型)目鏡、正型(雷

16、斯登型)目鏡、補償型目鏡和放大型目鏡幾種。目鏡按其用途可分為測微目鏡、示教目鏡、雙筒目鏡、專用于攝影的紫外線目鏡等。4顯微鏡的有效放大倍數(shù)顯微鏡是提供人們觀察物體細節(jié)的一種儀器，在保證鑒別能力的前題下，將物體放大一定的倍數(shù)使達到人眼所能分辨。因此放大倍數(shù)與人眼鑒別能力是相關(guān)的。正常人眼的鑒別能力在明視距離250mm遠處為0.150.30mm間。設(shè)人眼鑒別能力為e，則根據(jù)前述公式可導(dǎo)出：當(dāng)選平均波長為0.00055mm時，e為0.15mm時，最小放大倍數(shù)為：當(dāng)選平均波長為0.00055mm時，e為0.30mm時，最大放大倍數(shù)為：M最小和M最大之間的范圍稱為“有效放大倍數(shù)”。在選擇物鏡和目鏡配合時

17、，如果放大倍數(shù)不足500N.A，則表示選用不當(dāng)，即孔徑為N.A的物鏡所能區(qū)分的細節(jié)，因目鏡選用較低而不能被人眼識別；反之如超過1000N.A，叫做“虛偽放大”，在這種情況下，并不能看到在有效放大倍數(shù)內(nèi)所不能分辨的細節(jié)。5金相顯微鏡的構(gòu)造與使用金相顯微鏡的種類、型號很多，按功能可分為：教學(xué)型、生產(chǎn)型、科研型。按結(jié)構(gòu)型式分為：臺式、立式、臥式。此外還有紫外、紅外、高溫、低溫、偏光、相襯、干涉等各種特殊用途的金相顯微鏡。任何一種金相顯微鏡均主要由光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、附件裝置(包括攝影或其它如顯微硬度等裝置)組成。(1) 光學(xué)系統(tǒng)物鏡和目鏡是光學(xué)系統(tǒng)中最重要的光學(xué)器件，在前述內(nèi)容中已專門進行

18、了介紹。以下結(jié)合整體構(gòu)造和本實驗進行需要，將教學(xué)實驗中常用的國產(chǎn)臺式和立式金相顯微鏡的光光系統(tǒng)作簡要介紹。a. a.                    圖1-15 4×型金相顯微鏡的機械結(jié)構(gòu)1載物臺 2鏡臂 3物鏡轉(zhuǎn)換器4微動座 5粗動調(diào)焦手輪 6微動調(diào)焦手輪 7照明裝置 8底座 9平臺托架 10碗頭組 11視場光闌 12孔徑光闌圖1-16 4×型金相顯微鏡的光舉系統(tǒng)1燈炮 2聚光鏡

19、組(一) 3聚光組(二) 4半反射鏡 5輔助透鏡(一) 6物鏡組 7反光鏡 8孔徑光闌 9視場光闌 10輔助透鏡 11棱鏡 12棱鏡 13場鏡 14接目鏡臺式金相顯微鏡(以國產(chǎn)4×為例)：4×型金相顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)按倒置式光程設(shè)計，它的照明系統(tǒng)屬于科勒照明(如圖1-15、16)。由燈泡發(fā)出的一束光線，經(jīng)過透鏡組、反光鏡會聚于孔徑光闌，隨后經(jīng)過聚光鏡，再將光線聚焦在物鏡后焦面，最后光線投射到試樣上。從試樣磨面反射回來的光線復(fù)經(jīng)物鏡、輔助透鏡、半反射鏡及棱鏡造成一個放大倒立的實像，由目鏡再次放大在明視距離處形成虛象。結(jié)合教學(xué)實驗中將使用的儀器，以下介紹XJZ-1正置金相顯微鏡的光

20、學(xué)原理圖。如 圖1-17 XJZ-1型金相顯微鏡的光學(xué)原理圖1-17所示。光源(1)經(jīng)聚光鏡前組(2)，濾色片(3)后在孔徑光闌(4)處成象。聚光鏡(5)及(8)將孔徑光闌成象在物鏡(11)的后焦面附近，經(jīng)物鏡后，以近似平行光經(jīng)均勻照明物面(O)。視場光闌(6)被聚光鏡(8)，半透反射鏡(9)，輔助物鏡(12)，物鏡(11)成象在物平面處。由物面衍射成象光線被物鏡接收，經(jīng)輔助物鏡(12)和(15)及轉(zhuǎn)向棱鏡(17)將物體成一放大實角在目鏡(18)的閃焦面O處，以便于人眼通過目鏡進行觀察。當(dāng)棱鏡(17)移出光路時，由的面衍射的成象光線經(jīng)物鏡(11)，輔助物鏡(12)和(15)后進入120攝影裝置

21、。由攝影目鏡(20)及半反射鏡(21)將物象轉(zhuǎn)成在O處，操作者可通過取景目鏡(22)對所攝對象準焦和取景。快門開啟時，物象便成象在攝影膠片O上。在需要使用偏光的場合，將起偏器(7)推入光路，檢偏器(16)插入光路并轉(zhuǎn)動方位，就可進行偏光檢查。如將錐形反光鏡(19)推入光路，換下聚光鏡(8)，此時經(jīng)過視場光闌后的平行光束被錐形反射鏡及暗場反射鏡(13)分成一環(huán)形光束，拋物面聚光鏡(10)使光束會聚照明物面O。照明光線不再進入物鏡，只有衍射光線進入物鏡成象，因而可實現(xiàn)暗場照明。b. 立式金相顯微鏡：XJL-02型立式金相顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)如圖1-18所示。由光源發(fā)生的光束，通過聚光鏡會聚在孔徑光闌上

22、，經(jīng)濾色片、轉(zhuǎn)向棱鏡、視暗場變換滑板、聚光鏡、半反射鏡、再通過物鏡將一束平行光投射到試樣上。從試樣磨面反射的光線又經(jīng)過物鏡、平面半鍍鋁反射鏡、補償透鏡、五角棱鏡成象在目鏡的焦平面上。用目鏡觀察時，即可看出清晰的金相組織。圖1-18 XJL-02型立式金相顯微鏡明場照明系統(tǒng)(2) 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)一般包括光源、照明器、光闌、濾色片等。a. 光源：光源應(yīng)具有足夠的發(fā)光強度且要求發(fā)光均勻，發(fā)熱程度要低并易于對亮度、位置進行調(diào)節(jié)。色溫希望高和光譜連續(xù)性好。光源一般有低壓鎢絲燈、鹵鎢燈、氙燈、超高壓汞燈和碳弧燈幾種。光源的照明方式有科勒照明和臨界照明之別。圖1-19 平面玻璃反射照明圖1-20 棱鏡反射

23、照明b. 照明器：金相顯微鏡采用反射光照明，光源位于鏡體側(cè)面與主光軸正交。因此，光線需轉(zhuǎn)向90°，這種轉(zhuǎn)變光線的裝置叫做垂直照明器。利用照明進行照明的方式分為以下幾種。平面玻璃反射照明。這種照明方法的特點是光線均勻地直射在試樣表面，被浸蝕后的凹凸處無陰影產(chǎn)生，得到清晰平坦的圖象。采用這照明方式，能真實地表示出各組成相，但缺乏立體感(圖1-19)。棱鏡反射照明。這種照明是利用三棱鏡作為折光元件，光源經(jīng)棱鏡全反射后，通過物鏡光束便斜射到試樣表面。這種照明方式與平面鏡相比較光線損失極少，鏡筒內(nèi)的炫光較低，圖象高密度大、襯度好。但這種照明方式棱鏡占去鏡筒將近一半的位置，也就是遮去了物鏡孔徑的

24、一半，從而使物鏡的有效數(shù)值孔徑減小，分辨能力會降低，這種照明方式適合在放大100倍以下使用(圖1-20)。斜照明。光線與鏡體光軸是一定角度，使照在試樣上的光線是傾斜的。這種照明方式可以提高顯微鏡的分辨力，并使試樣凸起部分產(chǎn)生陰影，從而增幼蟲了圖象的襯度和立體感。斜射照明可通過調(diào)節(jié)孔徑光闌的平面位移而得到(圖1-21)。暗場照明。暗場照明的光學(xué)行程如圖1-22所示。來自光源的平行光束，被環(huán)形光闌所阻，而形成環(huán)形光束，經(jīng)過平面玻璃轉(zhuǎn)向，再經(jīng)過物鏡外圍的拋物面反射鏡，以大的傾斜角投射到試樣表面，這時試樣上平坦的部分所反射的光將不會進入物鏡而呈暗色，對于凹陷部分卻能將光線反射進入物鏡。這一照明方式的特

25、點是：使有效數(shù)值孔徑增加，提高襯度，特別是能觀察非金屬夾雜的透明度及真實色彩。圖1-21 斜照明圖1-22 暗場照明 (3) 光闌光闌分為孔徑光闌和視場光闌。 孔徑光闌。孔徑光闌的調(diào)節(jié)可以改變成象光束的大小和控制進入光學(xué)系統(tǒng)的光通亮?？s小孔徑光闌，孔徑角變小，這時光束只通過物鏡的中心部分，利于消除物鏡的單色象差，圖象清晰，能提高景深，提高相的襯度。但孔徑角小，會降低物鏡的分辨能力。適當(dāng)?shù)脑龃罂讖焦怅@，會增大亮度和提高鑒別能力。為了充分發(fā)揮物鏡的分辨能力，又能兼顧景深，獲得良好襯度，孔徑光闌調(diào)到使入射光束剛好充滿或略小于物鏡孔徑為宜。各種物鏡的孔徑不同，因此更換物鏡時，孔徑光闌應(yīng)作相應(yīng)調(diào)節(jié)，否則圖象不清晰。視場光闌。視場光闌的大小對顯微鏡的分辨能力沒有影響，適當(dāng)縮小可減少筒內(nèi)的雜散光，增加圖相襯度。有時為了觀察某一范圍的顯微組織，可將視場光闌縮小至這個