實驗金相顯微鏡的使用

1、實驗二金相顯微鏡及使用人們用來觀察金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的光學顯微鏡稱為金相顯微鏡，它是目前研究金屬顯微組織最常用的重要工具。金相顯微鏡是根據(jù)幾何光學的基本原理，由許多光學元件按一定的要求組合而成的精密光學儀器。隨著科學技術(shù)的進步和發(fā)展，金相顯微鏡在構(gòu)造、性能等方面也在不斷的改進和提高。偏振光、相襯、光的干涉、高低溫等特殊光學分析技術(shù)在顯微鏡上的應用，更加擴大了金相顯微鏡的應用范圍。一、顯微鏡的基本原理一般正常人看物體時，明視距離為250mm左右，在這個距離正常視力的人可以分辨的兩點最小距離約為0.150.3mm,大于或小于這個距離雖然能看見，但不易分辨物體的細微部分，而且眼睛容易疲勞。金屬顯微組織

2、中的相和各組織組成物之間的距離均小于這個數(shù)值，因此必須利用金相顯微鏡加以放大才能看清。利用單個凸透鏡可以將物體的實像放大，利用一組透鏡可以使放大倍數(shù)進一步提高，但這些還滿足不了對金屬顯微組織觀察的要求，因此，金相顯微鏡設(shè)計時考慮用另一透鏡組將第一次放大的像再次進行放大，以得到更高放大倍數(shù)的像。根據(jù)這一設(shè)計，金相顯微鏡中裝有兩組放大透鏡，靠近物體的一組透鏡稱為物鏡，靠近眼睛進行觀察的一組透鏡稱為目鏡。金相顯微鏡的成像原理示意圖如圖1所示。物體AB置于物鏡的一倍焦距（片）以外，兩倍焦距之內(nèi)的位置上，通過物鏡后可形成一個倒立、放大的實像A1B1，當實像A1B1位于目鏡的一倍焦距F2以內(nèi)時，則目鏡又使

3、A1B1放大，在目鏡的物方兩倍焦距以外，得到A1B1的正立放大的虛像A2B2。這最后映像A2B2是經(jīng)過物鏡、目鏡兩次放大后得到的。A2B2又通過眼睛這一光學系統(tǒng)成像于視網(wǎng)膜上（A3B3），因而可觀察到相對于物體是倒立的放大圖像。圖1金相顯微鏡的成像原理顯微鏡在設(shè)計時，讓目鏡的焦點位置與物鏡放大所成的實像位置接近，并使最終的倒立虛像在人的明視距離處（約250mm）成像，這樣就可以使人的觀察效果最為清晰。二、顯微鏡的放大倍數(shù)從顯微鏡的成像原理可知，顯微鏡的放大倍數(shù)應當是物鏡的放大倍數(shù)與目鏡放大倍數(shù)的乘積。物體AB經(jīng)物鏡放大后的放大倍數(shù)為：AiBiABA+f1fi式中f、匚分別為物鏡的前焦距和后焦距

4、，Af1A為顯微鏡的光學鏡筒長。物像AB經(jīng)目鏡放大后的放大倍數(shù)為: 叫=A2B2Kt式中，f?為目鏡的前焦距；S為人眼的明視距離，一般S=250mm左右。所以顯微鏡的總的放大倍數(shù)應當是：A250廠f顯微鏡物鏡的放大倍數(shù)可達100倍，目鏡的放大倍數(shù)可達25倍，通長顯微鏡設(shè)計的最高放大倍數(shù)為16002000倍，但因受物鏡分辨能力的限制，一般可放大10001500倍。放大倍數(shù)用符號“X”表示，分別標注在物鏡與目鏡的鏡筒金屬外殼上。三、透鏡的像差透鏡在成像過程中，許多原因都會使得形成的像與理想像之間存在一定的差異，甚至變形或模糊不清，這種現(xiàn)象稱為光學系統(tǒng)的像差。像差按產(chǎn)生的原因和影響成像質(zhì)量的性質(zhì)分為

5、單色像差和色像差。單色像差是單色光成像時產(chǎn)生的像差，如球差、像散、場曲、慧差和畸變等。色像差是多色光成像時，由于介質(zhì)折射率隨光的波長不同而變化所引起的像差，包括軸向色差和垂軸色差兩種。由于像差的存在從不同角度影響了顯微鏡的成像質(zhì)量，因此在設(shè)計制造中應盡量使之減少，但完全削除像差是不可能的，還需要使用者在使用過程中通過適當?shù)牟僮靼严癫钸M一步減小到最小程度。三、金相顯微鏡的主要性能1鑒別率顯微鏡的鑒別率是指顯微鏡視場中能夠清晰分辨試樣上相鄰兩點之間最小距離的能力，它主要決定于顯微鏡物鏡的鑒別率。鑒別率通常用兩個物點之間能清晰分辨的最小距離d的倒數(shù)來表示，d越小，鑒別率越高。顯微鏡的鑒別率主要取決于

6、入射光的波長和數(shù)值孔徑，可用下式表示：2NA式中，入為入射光的波長；NA為數(shù)值孔徑。從公式中可以看出NA越大或入越小，鑒別率就越高。圖2物鏡的孔徑角數(shù)值孔徑是金相顯微鏡的一個重要參數(shù)，其大小表征了物鏡的聚光能力，值越大聚光能力越強，從試樣上反射進入物鏡的光線越多，從而使顯微鏡的鑒別能力提高。數(shù)值孔徑的數(shù)學表達示為NA=nsina式中n為物鏡與試樣間介質(zhì)的折射率，a為物鏡的孔徑半角，如圖2所示。從公式中可以看出，增加孔徑角和介質(zhì)的折射率都可使數(shù)值孔徑增大。增加孔徑角a的途徑一是增加透鏡的直徑，二是縮短物鏡的焦距。增加透鏡的直徑會給像差的校正帶來困難，因此不實用。增大物鏡與試樣之間介質(zhì)的折射率主要

7、是通過選擇不同的介質(zhì)來實現(xiàn)的。例如，空氣的折射率為1，而松柏油的折射率為1.515。因此，以油為介質(zhì)的物鏡有較大的數(shù)值孔徑。物鏡的數(shù)值孔徑與放大倍數(shù)一起刻在鏡頭的外殼上。2有效放大倍數(shù)有效放大倍數(shù)是保證物鏡充分利用時所對應的顯微鏡的放大倍數(shù)，推導后的公式為：NAM七亠亍(0.30.6)有效九通長顯微鏡采用黃綠光，貝=5.5X10-4mm,有效放大倍數(shù)近似為M有咬(5001000)NA在使用顯微鏡時，應該根據(jù)有效放大倍數(shù)來選擇物鏡與目鏡的配合。如果顯微鏡的放大倍數(shù)低于500NA，則沒有充分發(fā)揮物鏡的分辨能力，由于目鏡放大倍數(shù)不足，物鏡可分辨的細節(jié)不能為人眼所分辨。若放大倍數(shù)超過1000NA，稱為

8、慮偽放大，這時在有效放大倍數(shù)內(nèi)不能分辨的細節(jié)仍然看不清楚。3景深景深反映顯微鏡對于高低不同的物體能清晰成像的能力，又稱垂直鑒別率，可用如下公式表示：h=x(0.150.3)(mm)(NA)M由公式可知，選用數(shù)值孔徑小的物鏡可得到較大的景深，但要降低顯微鏡的分辨率，因此，在使用中要根據(jù)情況進行選擇。景深太小，組織高低的細微差別就難以呈現(xiàn)清晰的圖像。四、金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)隨著科學技術(shù)的發(fā)展，金相顯微鏡的種類越來越多，技術(shù)水平越來越高，但從構(gòu)造形式上主要分為臺式、立式和臥式三種，從組成上一般都由光學系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和機械系統(tǒng)三部分組成。金相顯微鏡典型的光學系統(tǒng)如圖3所示。顯微鏡工作時，燈泡作為光源發(fā)出的

9、一束光線，經(jīng)過聚光透鏡組1和反光鏡被聚集到孔徑光欄上，然后經(jīng)過聚光鏡組2再聚焦在物鏡的后焦面上，最后光線通過物鏡以平行光束照射到試樣的表面。從試樣表面反射和散射回來的成像光線，又經(jīng)物鏡、圖3金相顯微鏡光學系統(tǒng)1-物鏡組；2-輔助物鏡片1；3-半透反光鏡；4-聚光透鏡組1；5-濾色片；6-聚光透鏡組1；7-燈泡；8-目鏡組；9-半五角棱鏡；10-輔助物鏡1、半透反光鏡、輔助物鏡片2、棱鏡及半五角棱鏡形成一個放大的實像，該像再次經(jīng)目鏡放大，就成為在目鏡視場中能看到的放大的映像。顯微鏡的照明系統(tǒng)是利用裝在底座內(nèi)的低壓燈泡作為光源，燈前有聚光鏡組1、反光鏡和孔徑光欄組等組成的部件以及安裝在支架上的視場

10、光欄和另一聚光鏡?？讖焦鈾诤鸵晥龉鈾诘淖饔弥饕怯脕砀淖兂上窆馐目讖胶鸵晥龅拇笮?，調(diào)節(jié)過程中，孔徑光欄以調(diào)到成像清晰為準，視場光欄根據(jù)觀察的需要調(diào)到能看到所需視場大小即可。常用的普通顯微鏡的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要機械結(jié)構(gòu)包括以下幾個部分。圖4普通顯微鏡結(jié)構(gòu)圖1-載物臺；2-物鏡；3-轉(zhuǎn)換器；4-傳動箱；5-微動調(diào)焦手輪；6-粗動調(diào)焦手輪；7-光源；8-偏心圈；9-樣品；10-目鏡；11-目鏡管；12-固定螺釘；13-調(diào)節(jié)螺釘；14-視場光欄；15-孔徑光欄載物臺：載物臺是放置金相試樣的裝置。為了防止試樣移動還可設(shè)置壓片組，用來壓緊試樣。載物臺可以用手動方式進行移動。觀察試樣時，通過水平方向前

11、后、左右的移動，可以對觀察部位進行選擇。物鏡轉(zhuǎn)換器：物鏡轉(zhuǎn)換器一般呈球面形，其上可同時安裝三個不同放大倍數(shù)的物鏡，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器就可使不同放大倍數(shù)的物鏡與目鏡配合，從而獲得需要的放大倍數(shù)。目鏡管：目鏡管用來放置目鏡，呈45安裝在半球形座上，如要拍攝金相照片時還可將目鏡管轉(zhuǎn)向水平狀態(tài)以配合照相裝置進行金相攝影。調(diào)焦機構(gòu)：觀察金相試樣時，為了獲得清晰的物像，必須對物鏡與試樣之間的距離進行調(diào)整，這個過程就是調(diào)焦。調(diào)焦是通過操作調(diào)焦手輪使載物臺上升或下降來完成的。調(diào)焦機構(gòu)分為粗動調(diào)焦和微動調(diào)焦兩部分，分別通過粗動調(diào)焦手輪和微動調(diào)焦手輪進行操作。旋轉(zhuǎn)粗動調(diào)焦手輪，載物臺以較快的速度上升和下降，旋轉(zhuǎn)微動手輪，

12、載物臺緩慢上下移動。由于微動調(diào)焦要求較高，因此微動手輪上刻有刻度值，以便準確調(diào)焦。五、金相顯微鏡的使用及注意事項金相顯微鏡屬于精密的光學儀器，因此在使用時必須細心謹慎，使用前應當熟悉金相顯微鏡的原理和結(jié)構(gòu)，使用過程中嚴格按照有關(guān)操作規(guī)程進行操作。金相顯微鏡的一般操作規(guī)程主要包括：1根據(jù)觀察要求選配物鏡和目鏡，并安裝到相應位置。2將顯微鏡照明系統(tǒng)的電源插頭插入低壓變壓器插孔中，接通電源。3將金相試樣放在載物臺中心，如需要固定應當用載物臺上的固定裝置進行固定。4進行調(diào)焦。調(diào)焦過程是先通過粗動調(diào)焦機構(gòu)使試樣與物鏡之間達到一定成像的距離（物鏡不能與試樣相接觸），然后通過微動調(diào)焦機構(gòu)進一步精確調(diào)焦，使成像達到最佳。5根據(jù)所觀察試樣的要求，適當調(diào)節(jié)孔徑光欄和視場光欄，以獲得最好的物像效果。使用金相顯微鏡時的注意事項主要包括：1相顯微鏡的照明電源用的是低壓燈泡，必須通過降壓變壓器使用，千萬不可將顯微鏡的照明電源插頭直接插入220V電源插座，以