光學(xué)顯微分析

第一章顯微鏡基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識(shí)顯微鏡成像原理顯微鏡的放大率透鏡的像差用途：生產(chǎn)廠家：目前全世界最主要的顯微鏡廠家主要有：奧林巴斯、蔡司、徠卡、尼康。國(guó)內(nèi)廠家主要有：江南、麥克奧迪等。

顯微鏡的發(fā)展歷史早在公元前一世紀(jì)，人們就已發(fā)現(xiàn)通過(guò)球形透明物體去觀察微小物體時(shí)，可以使其放大成像。后來(lái)逐漸對(duì)球形玻璃表面能使物體放大成像的規(guī)律有了認(rèn)識(shí)。1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造者已經(jīng)造出類似顯微鏡的放大儀器。1610年前后，意大利的伽利略和德國(guó)的開(kāi)普勒在研究望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)，改變物鏡和目鏡之間的距離，得出合理的顯微鏡光路結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)的光學(xué)工匠遂紛紛從事顯微鏡的制造、推廣和改進(jìn)。17世紀(jì)中葉，英國(guó)的胡克和荷蘭的列文胡克，都對(duì)顯微鏡的發(fā)展作出了卓越的貢獻(xiàn)。1665年前后，胡克在顯微鏡中加入粗動(dòng)和微動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)、照明系統(tǒng)和承載標(biāo)本片的工作臺(tái)。這些部件經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，成為現(xiàn)代顯微鏡的基本組成部分。

1673～1677年期間，列文胡克制成單組元放大鏡式的高倍顯微鏡，其中九臺(tái)保存至今。胡克和列文胡克利用自制的顯微鏡，在動(dòng)、植物機(jī)體微觀結(jié)構(gòu)的研究方面取得了杰出成就。19世紀(jì)，高質(zhì)量消色差浸液物鏡的出現(xiàn)，使顯微鏡觀察微細(xì)結(jié)構(gòu)的能力大為提高。1827年阿米奇第一個(gè)采用了浸液物鏡。19世紀(jì)70年代，德國(guó)人阿貝奠定了顯微鏡成像的古典理論基礎(chǔ)。這些都促進(jìn)了顯微鏡制造和顯微觀察技術(shù)的迅速發(fā)展，并為19世紀(jì)后半葉包括科赫、巴斯德等在內(nèi)的生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和微生物提供了有力的工具。1850年出現(xiàn)了偏光顯微術(shù)；1893年出現(xiàn)了干涉顯微術(shù)；1935年荷蘭物理學(xué)家澤爾尼克創(chuàng)造了相襯顯微術(shù)，他為此在1953年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1926年漢斯·布什研制了第一個(gè)磁力電子透鏡。1931年恩斯特·魯斯卡和馬克斯·克諾爾研制了第一臺(tái)透視電子顯微鏡。1986年魯斯卡為此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1938年魯斯卡在西門子公司研制了第一臺(tái)商業(yè)電子顯微鏡。1934年鋨酸被提議用來(lái)加強(qiáng)圖像的對(duì)比度。1937年第一臺(tái)掃描透射電子顯微鏡推出。一開(kāi)始研制電子顯微鏡最主要的目的是顯示在光學(xué)顯微鏡中無(wú)法分辨的病原體如病毒等。1960年透射電子顯微鏡的加速電壓越來(lái)越高來(lái)透視越來(lái)越厚的物質(zhì)。這個(gè)時(shí)期電子顯微鏡達(dá)到了可以分辨原子的能力。1980年代人們能夠使用掃描電子顯微鏡觀察濕樣本。1990年代中電腦越來(lái)越多地用來(lái)分析電子顯微鏡的圖像，同時(shí)使用電腦也可以控制越來(lái)越復(fù)雜的透鏡系統(tǒng)，同時(shí)電子顯微鏡的操作越來(lái)越簡(jiǎn)單。1基礎(chǔ)知識(shí)：

發(fā)光點(diǎn)、波面、光線、光束、光的直線傳播定律、光的獨(dú)立傳播定律、反射定律和折射定律、全反射及臨界角發(fā)光點(diǎn)----本身發(fā)光或被照明的物點(diǎn)。既無(wú)大小又無(wú)體積但能輻射能量的幾何點(diǎn)。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，把一個(gè)物體看成由許多物點(diǎn)組成，把這些物點(diǎn)都看成幾何點(diǎn)(發(fā)光點(diǎn))。把不論多大的物體均看作許多幾何點(diǎn)組成。研究每一個(gè)幾何點(diǎn)的成像。進(jìn)而得到物體的成像規(guī)律。

波面---發(fā)光點(diǎn)在某一時(shí)刻發(fā)出的光形成波面如果周圍是各向同性均勻介質(zhì)，將形成以發(fā)光點(diǎn)為中心的球面波或平面波

光線----波面的法線即幾何光學(xué)中所指的光線光束---波面法線族。發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的在各向同性的均勻介質(zhì)的光束為同心光束光的直線傳播定律

光在各向同性的均勻介質(zhì)中沿直線傳播。

(忽略衍射現(xiàn)象)光的獨(dú)立傳播定律。以不同的途徑傳播的光同時(shí)在空間某點(diǎn)通過(guò)時(shí)，彼此互不影響，各路光好像其他光線不存在似地獨(dú)立傳播。而在各路光相遇處，其光強(qiáng)度是簡(jiǎn)單地相加，總是增強(qiáng)的。(忽略干涉現(xiàn)象)光的干涉：光的反射定律與光的折射定律

當(dāng)光傳至二介質(zhì)的光滑分界面時(shí)遵循反射與折射定律光的反射定律：①入射光線、法線和反射光線在同一平面內(nèi)；②入射光線與反射光線在法線的兩側(cè)，且有：

光的折射定律：

①折射光線與入射光線和法線在同一平面內(nèi)；②折射角與入射角的正弦之比與入射角的大小無(wú)關(guān)，僅由兩介質(zhì)的性質(zhì)決定，當(dāng)溫度、壓力和光線的波長(zhǎng)一定時(shí)，其比值為一常數(shù)，等于前一介質(zhì)與后一介質(zhì)的折射率之比，即反射定律是折射定律當(dāng)n'=-n時(shí)的特殊情況光線傳播的可逆性·令CO為入射光線，則OA為反射光線（反射定律）·令BO為入射光線，則OA為折射光線（折射定律）由此說(shuō)明光的傳播是可逆的，即光路的可逆性。結(jié)論：以上定律解決了光在各向同性均勻介質(zhì)中的傳播和在兩介質(zhì)分界面且改變方向的問(wèn)題。因此可解決光經(jīng)任何界面后繼續(xù)傳播的方向，是光線經(jīng)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)傳播的基礎(chǔ)。

全反射

當(dāng)光入射到光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)的分界面時(shí)，不會(huì)發(fā)生全反射。

當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，逐漸增大入射角到某一值時(shí)，折射角達(dá)90度，使折射光線沿界面掠射而出。若入射角繼續(xù)增大，將會(huì)發(fā)生全反射。對(duì)應(yīng)于折射角為90度的入射角稱臨界角：全反射的應(yīng)用：一些基本概念：光軸、頂點(diǎn)、共軸光學(xué)系統(tǒng)、非共軸光學(xué)系、實(shí)物（像）點(diǎn)、虛物（像）點(diǎn)、物像空間。①光軸

——對(duì)于一個(gè)球面，光軸是通過(guò)球心的直線

對(duì)于一個(gè)透鏡，光軸為兩個(gè)球心的連線

②頂點(diǎn)

——光軸與球面的交點(diǎn)

③共軸光學(xué)系統(tǒng)

——所有的球心都在一條直線上

④非共軸光學(xué)系統(tǒng)

——所有的球心不全在一條直線上

一個(gè)球面有無(wú)數(shù)光軸一個(gè)透鏡有一個(gè)光軸共軸球面系統(tǒng)非共軸球面系統(tǒng)⑤實(shí)物(像)點(diǎn)——實(shí)際光線的交點(diǎn)(屏上可接收到)

虛物(像)點(diǎn)

——光線的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)(屏上接收不到,人眼可感受)

⑥物(像)空間

——物(像)所在的空間，可從-∞到+∞

實(shí)物(像)空間——實(shí)物(像)可能存在的空間

虛物(像)空間

——虛物(像)可能存在的空間

2顯微鏡成像原理（1）放大原理放大原理圖（2）物像相似規(guī)律P2德國(guó)阿貝用光的衍射和干涉理論解釋了顯微鏡的成像過(guò)程。注：衍射光干涉圖樣上的某個(gè)亮點(diǎn)是由不同物點(diǎn)的同級(jí)衍射光相干加強(qiáng)形成的；同一物點(diǎn)上的光由于衍射分解，對(duì)衍射圖樣上的許多光點(diǎn)有貢獻(xiàn)。同一物點(diǎn)上滿足相干加強(qiáng)的各級(jí)衍射光，在產(chǎn)生相應(yīng)的衍射亮點(diǎn)后繼續(xù)傳播，在像平面上又相互干涉形成圖像，這個(gè)圖像就是物象。規(guī)律：結(jié)論：

物象是由直射光和衍射光互相干涉形成的，不讓衍射光通過(guò)就不能成像；參與成像的初級(jí)干涉花樣中亮點(diǎn)數(shù)越多，相對(duì)于中心亮點(diǎn)面對(duì)稱性越好，也就是允許參與成像的衍射光的次數(shù)越高，則物象的相似性就越好。推論——提高成像質(zhì)量的措施：（1）光波波長(zhǎng)越短越好（2）在物體和物鏡間填充高折射率的透明介質(zhì)（3）增加物鏡的數(shù)值孔徑3顯微鏡的放大率理論上應(yīng)該等于A”B”和A’”B’”長(zhǎng)度的比值。為方便起見(jiàn)，表達(dá)為：物鏡放大率M1與目鏡放大率M2的乘積。D為人眼睛的明視距離；f2為目鏡的焦距。L為顯微鏡的光學(xué)鏡簡(jiǎn)長(zhǎng)度所以有：光學(xué)鏡筒長(zhǎng)度在實(shí)際應(yīng)用中很不方便，通常均使用機(jī)械鏡筒長(zhǎng)度，即物鏡的支承面與目鏡支承面之間的距離。顯微鏡的機(jī)械鏡筒長(zhǎng)度分為有限和任意兩種。有限機(jī)械鏡筒長(zhǎng)度各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不同，一般在160—190mm之間，我國(guó)規(guī)定為160mm。物鏡外殼上通常標(biāo)有160／0或160／-等，斜線前數(shù)字表示機(jī)械鏡簡(jiǎn)長(zhǎng)度，斜線后的“0”或“-”表示金相顯微鏡不用蓋玻璃片；對(duì)于透射顯微鏡，此處的數(shù)字表示蓋玻璃片的厚度。任意機(jī)械鏡筒長(zhǎng)度用∞／0或∞／-表示，這種物鏡可以在任何鏡筒長(zhǎng)度下使用，而不會(huì)影響成像質(zhì)量。4透鏡的像差

實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的成像是不完善的，光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各表面?zhèn)鬏敃?huì)形成多種像差，使成像產(chǎn)生模糊、變形等缺陷。像差就是光學(xué)系統(tǒng)成像不完善程度的描述。光學(xué)系統(tǒng)的像差可以用幾何像差來(lái)描述，包括：球差

如圖：軸上點(diǎn)A發(fā)出的某孔徑帶的光線與近軸光線交于不同點(diǎn)，形成球差。分類：軸向球差、垂軸球差存在球差時(shí)，在像面上會(huì)產(chǎn)生圓形彌散斑規(guī)律：（1）會(huì)聚面產(chǎn)生負(fù)球差，發(fā)散面產(chǎn)生正球差；正透鏡恒產(chǎn)生負(fù)球差，負(fù)透鏡恒產(chǎn)生正球差，當(dāng)入、出射光線關(guān)于透鏡對(duì)稱時(shí)，球差取得極值（絕對(duì)值最?。藭r(shí)的透鏡形狀為最小球差形狀。（2）單個(gè)薄透鏡不可能消球差矯正辦法：1.雙膠合透鏡，能否校正球差要看玻璃對(duì)挑選是否合適。

2.微小間隔的雙分離透鏡，除校正球差外還可校正另一種像差。色差：對(duì)白光成像的光學(xué)系統(tǒng)，由于材料對(duì)不同波長(zhǎng)的色光折射率不同，使各色光線具有不同的成像位置和倍率。分類：位置色差：由于同種材料對(duì)不同波長(zhǎng)具有不同的折射率；倍率色差：波長(zhǎng)變化引起材料的折射率變化，繼而引起光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率變化，像的大小隨之變化。球差與色差的比較：彗差

當(dāng)系統(tǒng)不滿足等暈條件時(shí)，軸外點(diǎn)存在彗差?；?/p>

畸變僅是像的變形，不影響像的清晰度。有些光學(xué)系統(tǒng)只對(duì)清晰度要求高，對(duì)變形的要求可以降低。實(shí)際像高比理想像高大，稱正畸變，反之稱負(fù)畸變。根據(jù)畸變的正負(fù)，等距的同心圓將會(huì)變成不同形狀的不等距的同心圓，正方網(wǎng)格也會(huì)變成枕形或桶形?；兲卣鳎?.全對(duì)稱系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)對(duì)稱，物像對(duì)稱），不產(chǎn)生畸變；

2.孔闌與之重合的接觸薄系統(tǒng)，不產(chǎn)生畸變（主光線通過(guò)系統(tǒng)中心，沿理想方向射出）；

3.對(duì)于單薄透鏡，光闌前移——負(fù)畸變，光闌后移——正畸變。因此，畸變與光闌位置有關(guān)?；兊漠a(chǎn)生：像域彎曲：垂直于光軸的直立的物體經(jīng)過(guò)透鏡后會(huì)形成一彎曲的驚面，這稱為像域彎曲。像域彎曲是幾種保差綜合作用的結(jié)果，以致難以在垂直放著的平膠片上得到全部清晰的成像。矯正辦法：像域彎曲可以用特制的物鏡校正。平面消色差物鏡或平面復(fù)消色差物鏡都可以用來(lái)校正驚域彎曲，使成像平坦清晰。5顯微鏡的物鏡內(nèi)容：指標(biāo)（數(shù)值孔徑、分辨率、放大率、焦深、工作距離、視場(chǎng)范圍），類型（1）數(shù)值孔徑

物鏡的數(shù)值孔徑表示物鏡收集光線的能力。物鏡對(duì)試樣上各點(diǎn)的反射光收集得越多，成像質(zhì)量就越好。數(shù)值孔徑常以N.A.來(lái)表示，并用下列公式進(jìn)行計(jì)算：n—物鏡與試樣之間介質(zhì)的折射率Φ—物鏡孔徑角的一半數(shù)值孔徑的意義：決定了物鏡對(duì)樣品細(xì)節(jié)的分辨率，進(jìn)而影響該物鏡適宜的放大倍數(shù)。注：干系物鏡的數(shù)值孔徑不可能超過(guò)1，油浸物鏡可以，最大可以達(dá)到1.4左右。油浸物鏡在鏡體上有黑圈標(biāo)志。（2）分辨率顯微鏡的分辨率用它能清晰地分辨試樣上兩點(diǎn)間的最小距離d表示。分辨率決定了顯微鏡分辨試樣上細(xì)節(jié)的程度。注：目鏡只能放大物鏡已經(jīng)分辨開(kāi)的細(xì)節(jié)，物鏡不能分辨的細(xì)節(jié)不可能通過(guò)目鏡的放大而變的可分辨。物鏡分辨率表達(dá)式：所以，對(duì)于一定波長(zhǎng)的入射光，物鏡的分辨率完全取決于物鏡的數(shù)值孔徑；數(shù)值孔徑越大，分辨率就越高。（3）物鏡適宜的放大率為了充分利用物鏡的分辨率，使操作者看清已被物鏡分辨出的組織細(xì)節(jié)，顯微鏡必須有適當(dāng)?shù)姆糯舐?。人眼睛能看清的組織細(xì)節(jié)對(duì)眼睛的視角應(yīng)大于眼睛的極限分辨角。當(dāng)照明條件良好時(shí)，這一極限分辨角約為1’。為了使眼睛能夠不太費(fèi)力地分辨，視角應(yīng)位于2’~4’之間。如果取2’為分辨角的下限，4’為分辨角的上限，則人眼在明視距離處能分辨的線距離d’＝半徑×弧度，即，即人眼在明視距離處的分辨距離應(yīng)不小于0.15~0.30mm。由于顯微鏡的放大率M為d’與d之比，所以，假設(shè)用人眼睛最敏感的黃綠光0.55μm計(jì)算，M的范圍在：該范圍稱為有效放大率。（4）焦深焦深是物鏡對(duì)高低不平的物體能夠清晰成像的能力。當(dāng)顯微鏡準(zhǔn)確聚焦于某一物面時(shí)，如果位于其前面及后面的物面仍然能被觀察者看清楚，則該最遠(yuǎn)兩平面之間的距離就是焦深。物鏡的焦深主要取決于物鏡的數(shù)值孔徑。在照相時(shí)，物鏡的焦深與數(shù)值孔徑之間的關(guān)系如下：規(guī)律：物鏡的數(shù)值孔徑越大，焦深越小。所以，高倍觀察的樣品應(yīng)該作淺腐蝕處理。用眼睛觀察時(shí)的焦深：（5）工作距離與視場(chǎng)范圍工作距離——顯微鏡準(zhǔn)確聚焦后，試樣表面和物鏡前端之間的距離。規(guī)律：物鏡的放大率越高，工作距離越短。視場(chǎng)范圍——顯微鏡準(zhǔn)確聚焦后，所能觀察到的試樣表面區(qū)域的大小。規(guī)律：視場(chǎng)范圍與物鏡的放大率成反比。（6）物鏡的類型10×0.25物鏡20×0.4物鏡40×0.65復(fù)消色差物鏡60×0.8物鏡50×0.6折反射UV物鏡100×1.3浸水物鏡規(guī)律：隨著放大倍數(shù)由低到高，其結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。低倍物鏡可以用雙膠合，中倍物鏡用雙雙膠合，高倍物鏡用雙膠合＋前片，數(shù)值孔徑更大的阿貝物鏡則需要浸油?；绢愋停喊凑諏?duì)各種像差校正程度的不同，一般將物鏡分為消色差物鏡、復(fù)消色差物鏡和平視場(chǎng)物鏡三大類。消色差物鏡對(duì)球差的校正限于黃綠光范圍內(nèi)，對(duì)色差只校正紅、綠光。因此消色差物鏡仍有殘余的色差，保域彎曲仍然存在。使用消色差物鏡時(shí)采用黃綠光照明或加黃綠色濾色片可以減少像差。復(fù)消色差物鏡對(duì)色差可校正紅、綠、紫三個(gè)波區(qū)(實(shí)際等于整個(gè)可見(jiàn)光范圍)；球差校正可達(dá)綠紫光范圍，但對(duì)像域彎曲沒(méi)有根本的改善，這種物鏡對(duì)光源沒(méi)有任何限制，一般數(shù)值孔徑較大，成像質(zhì)量較高，適于高倍觀察。平視場(chǎng)物鏡是以視場(chǎng)平面校正的廣度為標(biāo)準(zhǔn)的。平視場(chǎng)物鏡可使像域彎曲得到很好的校正。平視場(chǎng)物鏡又可分為平場(chǎng)消色差物鏡和平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡，對(duì)球差和色差的校正分別與消色差物鏡和復(fù)消色差物鏡相同。這種物鏡的特點(diǎn)是顯著地?cái)U(kuò)大了像域的平整范圍，使整個(gè)視場(chǎng)都比較清晰，適于觀察，更有利于照相。標(biāo)志：PL6顯微鏡的目鏡作用：將物鏡放大的實(shí)像再放大，觀察時(shí)在明視距離處成一放大的虛像，照相時(shí)底片上得到一實(shí)像。有的目鏡還可以校正物鏡未能完全校正的像差。類型：（1）惠更斯目鏡

荷蘭科學(xué)家惠更斯于1703年設(shè)計(jì)，有兩片平凸透鏡組成，前面為場(chǎng)鏡，后面為接目鏡，他們的凸面都朝向物鏡一端，場(chǎng)鏡的焦距一般是接目鏡的2-3倍，鏡片間距是它們焦距之和的一半?；莞鼓跨R視場(chǎng)約為25-40度?；莞鼓跨R既可用于觀察，又可用于照相。屬于負(fù)型目鏡，不校正像差，適合低倍觀察。（2）冉斯登目鏡

于1783年設(shè)計(jì)成功，也是兩片兩組結(jié)構(gòu)，由凸面相對(duì)，焦距相同的兩個(gè)平凸透鏡組成。間距為兩者焦距和的2/3-3/4，其色差略大，場(chǎng)曲顯著減小，視場(chǎng)約為30-45度，目前已很少采用。對(duì)像域彎曲和畸變有較好的校正。在同樣倍率下，視場(chǎng)比負(fù)型目鏡小。

（3）凱爾納目鏡

是在冉斯登目鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，出現(xiàn)于1849年，主要改進(jìn)是將單片的接目鏡改為雙膠合消色差透鏡，大大改善了對(duì)色差和邊緣像質(zhì)的改善，視場(chǎng)達(dá)到40-50度，低倍時(shí)有著舒適的出瞳距離，但是在高倍時(shí)表現(xiàn)欠佳。另外，凱爾納目鏡的場(chǎng)鏡靠近焦平面，這樣場(chǎng)鏡上的灰塵便容易成像，影響觀測(cè)，所以要特別注意清潔。美國(guó)一家公司在凱爾納目鏡的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，研制出了RKE目鏡，其邊緣像質(zhì)要好于經(jīng)典結(jié)構(gòu)。（4）阿貝無(wú)畸變目鏡(簡(jiǎn)稱OR目鏡)

1880年由德國(guó)蔡司公司創(chuàng)始人之一的阿貝設(shè)計(jì)，為四片兩組結(jié)構(gòu)，其中場(chǎng)鏡為三膠合透鏡，接目鏡為平凸透鏡，該目鏡成功的控制了色差和球差，并把鬼像和場(chǎng)曲降低到難以察覺(jué)的程度，它還具有40-50度的平坦視場(chǎng)和足夠的出瞳距離，在各倍率都有良好表現(xiàn)，一直被廣泛采用。（5）愛(ài)勒弗廣角目鏡

1917年研制成功，是其后所有廣角目鏡的鼻祖，結(jié)構(gòu)為5片三組，視場(chǎng)高達(dá)60-75度。由于邊緣存在像散，所以不太適合高倍設(shè)計(jì)，其在低倍時(shí)的表現(xiàn)是非常出色的。（6）普羅素目鏡

又稱為對(duì)稱目鏡。由完全相同的兩組雙膠合消色差透鏡組成，其參數(shù)表現(xiàn)與OR目鏡相當(dāng)，但具有更大的出瞳距離和視場(chǎng)，造價(jià)更低，而且適用于所有的放大倍率，是目前應(yīng)用最為廣泛的目鏡，曾派生出多種改進(jìn)型。（7）Nagler目鏡

一種于1979年由美國(guó)人設(shè)計(jì)的高檔目鏡，有著82度的驚人視場(chǎng)，優(yōu)質(zhì)的邊緣像質(zhì)和舒適的出瞳距離，以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高昂的價(jià)格，和超過(guò)一公斤的重量。7金相顯微鏡的照明系統(tǒng)（1）光源：鎢絲白熾燈、鹵素?zé)?、碳弧燈、氙燈特點(diǎn)：鎢絲白熾燈6~8V，15~100W，適合金相組織觀察；鹵素?zé)羰擎u絲白熾燈的升級(jí)版，更耐用，不容易變黑。碳弧燈亮度高，但電弧閃爍厲害，不適合照相。氙燈光強(qiáng)度高，穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，光譜連續(xù)。但易爆炸，使用維護(hù)麻煩。（2）照明方式：臨界照明、科勒照明臨界照明的特點(diǎn)是光源的像通過(guò)聚光透鏡首先聚焦在視場(chǎng)光欄上，然后與視場(chǎng)光欄的像一起聚焦在試樣表面。采用臨界照明可以得到最高的亮度，但要求光源具有非常均勻的輻射表面，否則在視場(chǎng)中將會(huì)看到光源的放大影像，這對(duì)于觀察顯微組織細(xì)爺和顯微照相都是很不利的。科勒照明——1893年，科勒(Kohler)提出了一種新的照明方法，它的特點(diǎn)是光源的像通過(guò)聚光透鏡首先聚使在孔徑光欄上，然后與孔徑光欄的像一起聚焦在物鏡的后焦面。采用科勒照明可以使物鏡的后焦面得到充分的照明，因而可以最充分地發(fā)揮物鏡的分辨率；它還可以使視場(chǎng)得到非常均勻的照明，對(duì)光源均勻性的要求也不像在臨界照明時(shí)那樣嚴(yán)格。（3）明場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明明場(chǎng)照明是金相顯微鏡主要的照明方式。在鑒別非金屬夾雜物等待殊用途中，往往要采用暗場(chǎng)照明。金相試樣的制備簡(jiǎn)介取樣鑲樣磨光拋光腐蝕2.1簡(jiǎn)介顯微分析是研究金屬內(nèi)部組織的最重要的方法。在金相學(xué)一百多年的發(fā)展歷史中，絕大部分研究工作是借助于光學(xué)顯微鏡完成的。近年來(lái)，電子顯微鏡的重要性日益增加，但是光學(xué)顯微金相技術(shù)在教學(xué)、科學(xué)和生產(chǎn)中仍將占據(jù)一定的位置。試樣制備工作包括許多技巧，需要有長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能較好地掌握；同時(shí)它也比較費(fèi)時(shí)和單調(diào)，往往使人感到厭煩。金相顯微鏡的使用之所以比生物顯微鏡晚二百年，其原因就是由于長(zhǎng)期沒(méi)有解決好試樣制備問(wèn)題。由于研究材料各異，金相顯微制樣的方法是多種多樣，其程序通?？煞譃槿?、鑲樣、磨光、機(jī)械拋光(或電解概拋光、化學(xué)拋光)、腐蝕等幾個(gè)主要工序，無(wú)論哪一個(gè)工序操作不當(dāng)，都會(huì)影響最終效果。因此，不應(yīng)忽視任何一個(gè)環(huán)節(jié)。不適當(dāng)?shù)牟僮骺赡苄纬伞皞谓M織”導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析。為能清楚的顯示出組織細(xì)節(jié)，在制樣過(guò)程中不使試樣表層發(fā)生任何組織變化，曳尾、劃痕、麻點(diǎn)等，有時(shí)尚需保護(hù)好試樣的邊緣。2.2取樣選擇合適的、有代表性的試樣是進(jìn)行金相顯微分析的極其重要的一步，包括選擇取樣部位、檢驗(yàn)面及確定截取方法、試樣尺寸等。一、取樣部位及檢驗(yàn)面的選擇取樣部位及檢驗(yàn)面的選擇取決于被分析材料或零件的特點(diǎn)、加工工藝過(guò)程及熱處理過(guò)程，應(yīng)選擇有代表性的部位。生產(chǎn)中常規(guī)檢驗(yàn)所用試樣的取樣部位、形狀、尺寸都有明確的規(guī)定(詳見(jiàn)有關(guān)行業(yè)和國(guó)家頒布標(biāo)準(zhǔn))。零件失效分析的試樣，應(yīng)該根據(jù)失效的原因，分別在材料失效部位和完好部位取樣，以便于對(duì)比分析。對(duì)鑄件，必須從表面到心部，從上部到下部觀察其組織差異，以了解偏析情況，以及縮孔疏松及冷卻速度對(duì)組織的影響。因此，取樣時(shí)要兼顧考慮，對(duì)鍛軋及冷變形加工的工件，應(yīng)采用縱向檢查面，以觀察組織和夾雜物的變形情況，而熱處理后的顯微組織則應(yīng)采用橫向截面。二、試樣的截取取樣時(shí)，應(yīng)保證不使被觀察的截面由于截取而產(chǎn)生組織變化，因此對(duì)不同的材料要采用不同的截取方法：對(duì)于軟材料，可以用鋸、車、刨等加工方法；對(duì)于硬材料，可以用砂輪切片機(jī)切割或電火花切割等方法。對(duì)于硬而脆的材料，可以用錘擊方法。在大工件上取樣，可用氧氣切割等方法。在用砂輪切割或電火花切割時(shí)，應(yīng)采取冷卻措施，以免試樣因受熱而引起組織變化。三、試樣尺寸金相試樣的大小以便于握持、易于磨制為準(zhǔn)。通常顯微試樣為直徑15mm、高15~20mm的圓柱體或邊長(zhǎng)為15~25mm的立方體。2.3鑲樣一般情況下，如果試樣大小合適，則不需要鑲樣，但試樣尺寸過(guò)小或形狀極不規(guī)則者，如帶、絲、片、管，制備試樣十分困難，就必須把試樣鑲嵌起來(lái)。鑲嵌分冷鑲嵌和熱鑲嵌二種。金相試樣鑲樣機(jī)

目前一般多采用塑料鑲嵌。鑲嵌材料有熱凝性塑料(如膠木粉)、熱塑性塑料(如聚氯乙烯)、冷凝性塑料(環(huán)氧樹(shù)脂加固化劑)及醫(yī)用牙托粉加牙托水等。這些材料都各有其特點(diǎn)。膠木粉不透明，有各種顏色，而且比較硬，試樣不易倒角，但抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿的耐腐蝕性能比較差。聚氯乙烯為半透明或透明的，抗酸堿的耐腐蝕性能好，但較軟。用這兩種材料鑲樣均需用專門的鑲樣機(jī)加壓加熱才能成型。金相試樣鑲樣機(jī)主要包括加壓設(shè)備、加熱設(shè)備及壓模三部分。對(duì)溫度及壓力極敏感的材料(如淬火馬氏體與易發(fā)生塑性變形的軟金屬)，以及微裂紋的試樣，應(yīng)采用冷鑲、洗滌后可在室溫下固化，將不會(huì)引起試樣組織的變化。機(jī)械鑲嵌用夾具

低熔點(diǎn)合金和牙托粉加牙托水鑲嵌法

低熔點(diǎn)合金鑲嵌法，利用融溶的低溶點(diǎn)合金溶液澆鑄鑲嵌成合適的金相試樣。將欲鑲嵌的細(xì)小試樣放置在一塊平整的鐵板上，用合適的金屬圈或塑料圈套在試樣外面，將低熔點(diǎn)合金注入圈內(nèi)待冷卻后即可。牙托粉加牙托水鑲嵌法，這種方法操作方便。室溫下將牙托粉加適量的牙托水調(diào)成糊狀(不能太稀)，將欲鑲嵌的細(xì)小試樣放置在一塊平整的玻璃上，用合適的金屬圈或塑料圈套在試樣外面，室溫下將牙托粉加適量的牙托水調(diào)成糊狀(不能太稀)，并迅速注入金屬圈或塑料圈內(nèi)待30分鐘后即固化，目前這樣方法完全可取代低熔點(diǎn)合金鑲嵌法。2.4磨光磨光分為粗磨與精磨(1)粗磨的目的是為整平試樣，并磨成合適的形狀。金相試樣的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是應(yīng)盡可能減少表層損傷。每一道磨光工序必須除去前一道工序造成的變形層(至少應(yīng)使前一道工序產(chǎn)生的變形層減少到本道工序產(chǎn)生的變形層深度)，而不是僅僅把前一道工序的磨痕除去；同時(shí)，該道工序本身應(yīng)做到盡可能減少損傷，以便于進(jìn)行下一道工序。最后一道磨光工序產(chǎn)生的變形層深度應(yīng)非常淺，保證能在下一道拋光工序中除去。圖2-3為試樣經(jīng)過(guò)切割加工及四道磨光工序后，表面變形層厚度變化示意圖。圖中A、B、C均為變形層，越往里，變形量越小，D為未受損傷的組織。此過(guò)程要注意防止金屬過(guò)分發(fā)熱。試樣經(jīng)過(guò)切削磨光后變形層厚度變化示意圖

(2)精磨精磨的目的是消除粗磨時(shí)留下的較深的磨痕，為下一步拋光打好基礎(chǔ)。精磨通常是在砂紙上進(jìn)行，砂紙分水砂紙和金相砂紙。通常水砂紙為SiC磨料不溶于水，金相砂紙的磨料有人造剛玉、碳化硅、氧化鐵等，性均極硬，呈多邊棱角，具有良好的切削性能，精磨時(shí)可用水作潤(rùn)滑劑進(jìn)行手工濕磨或機(jī)械濕磨，通常使用粒度為240、320、400、600四種水砂紙進(jìn)行磨光后即可進(jìn)行拋光，對(duì)于較軟金屬，應(yīng)用更細(xì)的金相砂紙磨光后再拋光。對(duì)于有一定數(shù)量的試樣，精磨可用手工濕磨機(jī)(圖2-4)進(jìn)行。圖2-4手工操作砂紙濕磨設(shè)備外形圖 除此以外還可以采用機(jī)械磨制(圖2-5)將不同粒度的碳化硅砂紙分別置于邊緣略有突起放了一些水的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤上，則隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，砂紙下面的水被甩出，砂紙被吸附在轉(zhuǎn)盤上，即可進(jìn)行機(jī)械濕磨，磨光效率能進(jìn)一步提高。圖2-6示出轉(zhuǎn)盤式金相預(yù)磨機(jī)，使用時(shí)用水作潤(rùn)滑劑和冷卻劑。配有微型計(jì)算機(jī)的自動(dòng)磨光機(jī)，可以對(duì)磨光過(guò)程進(jìn)行程序控制，整個(gè)磨光過(guò)程可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成。

圖2-6自動(dòng)磨樣機(jī) 2.5拋光拋光的目的是要盡快把磨光留下的細(xì)微磨痕成為光亮無(wú)痕的鏡面，金相試樣的拋光基本分為機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光三類。一、機(jī)械拋光拋光的目的就是要盡快反磨光工序留下的變形層除去，并使拋光產(chǎn)生的變形層不影響顯微組織的觀察。拋光操作的關(guān)鍵是要設(shè)法得到最大的拋光速率，以便盡快除去磨光時(shí)產(chǎn)生的損傷層，同時(shí)要使拋光產(chǎn)生的變形層不致影響最終觀察到的組織，即不會(huì)產(chǎn)生假象。這兩個(gè)要求是有矛盾的，前者要求使用較粗的磨料，但會(huì)使拋光變形層較深；后者要求使用最細(xì)的磨料，但拋光速率較低。解決這個(gè)矛盾的最好辦法是把拋光分為兩個(gè)階段來(lái)進(jìn)行。首先是粗拋，目的是除去磨光的變形層，這一階段應(yīng)具有最大的拋光速率，粗拋本身形成的變形層是次要的考慮，不過(guò)也應(yīng)盡可能小。其次是精拋(又稱終拋)，其目的是除去粗拋產(chǎn)生的變形層，使拋光損傷減到最小。二、電解拋光機(jī)械拋光時(shí)，試樣表面要產(chǎn)生變形層，影響金相組織顯示的真實(shí)性。電解拋光可以避免上述問(wèn)題，因?yàn)殡娊鈷伖饧兿惦娀瘜W(xué)的溶解過(guò)程，沒(méi)有機(jī)械力的作用，不引起金屬的表面變形。對(duì)于硬度低的單相合金以及一般機(jī)械拋光難于做到的鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、不銹鋼等宜采用此法。此外，電解拋光對(duì)試樣磨光程度要求低(一般用800號(hào)水砂紙磨平即可)，速度快，效率高。但是電解拋光對(duì)于材料化學(xué)成分的不均勻性，顯微偏析特別敏感，非金屬夾雜物處會(huì)被劇烈地腐蝕，因此電解拋光不適用于偏析嚴(yán)重的金屬材料及作夾雜物檢驗(yàn)的金相試樣。圖2-8電解拋光裝置與電解光原理

(a)電解拋光裝置（b）電解拋光原理圖2-9自動(dòng)電解拋光儀三、化學(xué)拋光化學(xué)拋光是靠化學(xué)溶解作用得到光滑的拋光表面。這種方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，不需要特別的儀器設(shè)備，對(duì)原來(lái)試樣表面的光潔度要求不高，這些優(yōu)點(diǎn)都給金相工作者帶來(lái)很大方便?；瘜W(xué)拋光的原理與電解拋光類似，是化學(xué)藥劑對(duì)試樣表面不均勻溶解的結(jié)果。在溶解的過(guò)程中表層也產(chǎn)生一層氧化膜，但化學(xué)拋光對(duì)試樣原來(lái)凸起部分的溶解速度比電解拋光慢，因此經(jīng)化學(xué)拋光后的磨面較光滑但不十分平整，有波浪起伏。這種起伏一般在物鏡的垂直鑒別能力之內(nèi)，適于用顯微鏡作低倍和中倍觀察?；瘜W(xué)拋光是將試樣浸在化學(xué)拋光液中，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄噭?dòng)或用棉花經(jīng)常擦試，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，就可以得到光亮的表面?；瘜W(xué)拋光兼有化學(xué)腐蝕的作用，能顯示金相組織，拋光后可直接在顯微鏡下觀察?；瘜W(xué)拋光液的成分隨拋光材料的不同而不同。一般為混合酸溶液，常用的酸類有：正磷酸、鉻酸、硫酸、醋酸、硝酸及氫酸；為了增加金屬表面的活性以利于化學(xué)拋光的進(jìn)行，還加入一定量的過(guò)氧化氫?；瘜W(xué)拋光液經(jīng)使用后，溶液內(nèi)金屬離子增多，拋光作用減弱，需經(jīng)常更換新溶液。2.6金相試樣的腐蝕試樣機(jī)械拋光后，在顯微鏡下，只能看到光亮的磨面及夾雜物等。要對(duì)試樣的組織進(jìn)行顯微分析，還必須讓試樣經(jīng)過(guò)腐蝕。常用的腐蝕方法有化學(xué)腐蝕法和電解腐蝕法(觀察非金屬夾雜的金相試樣，直接采用光學(xué)法，不需要作任何腐蝕)。一、化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕是將拋光好的樣品磨光面在化學(xué)腐蝕劑中腐蝕一定時(shí)間，從而顯示出其試樣的組織形貌。純金屬及單相合金的腐蝕是一個(gè)化學(xué)溶解的過(guò)程。由于晶界上原子排列不規(guī)則，具有較高自由能，所以晶界易受腐蝕而呈凹溝，使組織顯示出來(lái)，在顯微鏡下可以看到多邊形的晶粒。若腐蝕較深，則由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率不同，腐蝕后的顯微平面與原磨面的角度不同，在垂直光線照射下，反射進(jìn)入物鏡的光線不同，可看到明暗不同的晶粒(如圖2-10所示)。圖2-10純金屬及單相合金化學(xué)腐蝕情況示意圖 兩相合金的腐蝕主要是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過(guò)程。兩個(gè)組成相具有不同的電極電位，在腐蝕劑中，形成極多微小的局部電池。具有較高負(fù)電位的一相成為陽(yáng)極，被溶入電解液中而逐漸凹下去；具有較高正電位的另一相為陰極，保持原來(lái)的平面高度。因而在顯微鏡下可清楚地顯示出合金的兩相。圖2-11為鎂-鋅合金與珠光體組織兩相腐蝕后的情況。多相合金的腐蝕，主要也是一個(gè)電化學(xué)的溶解過(guò)程。在腐蝕過(guò)程中腐蝕劑對(duì)各個(gè)相有不同程度的溶解。必須適用合適的腐蝕劑，如果一種腐蝕劑不能將全部組織顯示出來(lái)，就應(yīng)采取兩種或更多的腐蝕劑依次腐蝕，使之逐漸顯示出各相組織，這種方法也叫選擇腐蝕法。另一種方法是薄膜染色法。此法是利用腐蝕劑與磨面上各相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一層厚薄不均的膜(或反應(yīng)沉淀物)，在白光的照射下，由于光的干涉使各相呈現(xiàn)不同的色彩，從而達(dá)到辨認(rèn)各相的目的。二、電解腐蝕電解腐蝕所用的設(shè)備與電解拋光相同，只是工作電壓和工作電流比電解拋光時(shí)小。這時(shí)在試樣磨面上一般不形成一層薄膜，由于各相之間和晶粒與晶界之間電位不同，在微弱電流的作用下各相腐蝕程度不同，因而顯示出組織。此法適于抗腐蝕性能強(qiáng)、難于用化學(xué)腐蝕法腐蝕的材料。若試樣制備好后需要長(zhǎng)期保存，則需要在腐蝕過(guò)的試樣觀察面上涂上一層極薄的保護(hù)膜，常用的有火棉膠或指甲油等。

相襯顯微鏡又叫相差顯微鏡（phasecontrastmicroscope）能把標(biāo)本中細(xì)節(jié)與背景之間的光程差(透過(guò)的光波產(chǎn)生的相位差)轉(zhuǎn)變?yōu)楣獠ǖ恼穹顝?/p>