金相顯微鏡的原理

實(shí)驗(yàn)一金相顯微鏡的構(gòu)造及使用一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解金相顯微鏡的構(gòu)造；2、 掌握金相顯微鏡的使用方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理概述（一）金相顯微鏡的構(gòu)造光學(xué)金相顯微鏡的構(gòu)造一般包括放大系統(tǒng)、光路系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)三部分，其中放大系統(tǒng)是顯微鏡的關(guān)鍵部分。1、放大系統(tǒng)（1）顯微鏡放大成象原理顯微鏡放大基本原理如圖1-1所示。由圖可見，顯微鏡的放大作用由物鏡和目鏡共同完成。物體AB位于物鏡的焦點(diǎn)F1以外，經(jīng)物鏡放大而成為倒立的實(shí)象A1B1，這一實(shí)象恰巧落在目鏡的焦點(diǎn)f2以內(nèi)，最后由目鏡再次放大為一虛象a2b2,人們?cè)谟^察組織時(shí)所見到的象,就是經(jīng)物鏡、目鏡兩次放大，在距人眼約150mm明視距離處形成的虛象。an由圖1-1可知：物鏡的放大倍數(shù)M=物AB目鏡的放大倍數(shù)M=目顯微鏡的總放大倍數(shù)M=MxM=物 目AyB說(shuō)明顯微鏡的總放大倍數(shù)M等于物鏡放大倍數(shù)和目鏡放大倍數(shù)的乘積。目前普通光學(xué)金相顯微鏡最高有效放大倍數(shù)為1600?2000倍，常用放大倍數(shù)有100、450倍和650倍。另外，參照?qǐng)D1-1。如果忽略AB與F］、A1B1與F2間距，依相似三角形定理可求出：M=九啟=岡°了物式中，D為光學(xué)鏡筒長(zhǎng)度；f為物鏡焦距。因光學(xué)鏡筒子長(zhǎng)度為定值，可見，物鏡放大倍數(shù)越高，物鏡的焦距越短，物鏡離物體越近。透鏡象差透鏡在成象過(guò)程中，由于受到本身物理?xiàng)l件的限制，會(huì)使映象變形和模糊不清。這種象的缺陷稱為象差。在金相顯微鏡的物鏡、目鏡以及光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造中，雖將象差盡量減少到很小的范圍，但依然存在。象差有多種，其中對(duì)成象質(zhì)量影響最大的是球面象差、色象差和象域彎曲三種。球面象差由于透鏡表面為球面，其中心與邊緣厚度不同，因而來(lái)自一點(diǎn)的單色光經(jīng)過(guò)透鏡折射后，靠近中心部分的光線偏折角度小，在離透鏡較遠(yuǎn)的位置聚集；而靠近邊緣處的光線偏折角度大，在離透鏡較近的位置聚集，因而必然形成沿光軸分布的一系列的象，使成象模糊不清，這種現(xiàn)象勝負(fù)為球面象差。球面象差主要靠用凸透鏡和凹透鏡所級(jí)成的透鏡級(jí)來(lái)減小。另外，通過(guò)加光欄的辦法，縮小透鏡成象范圍，也可以減小球面象差的影響。色象差色象差與光波波長(zhǎng)有著密切關(guān)系。當(dāng)白色光中不同波長(zhǎng)的光線通過(guò)透鏡時(shí)，因其折射角度不同而引起象差。波長(zhǎng)愈短，折射率愈大，其焦點(diǎn)愈近；波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，折射率愈小，則焦點(diǎn)愈遠(yuǎn)，因而不同波長(zhǎng)的光線，不能同時(shí)在一點(diǎn)聚集，致使映象模糊，或在視場(chǎng)邊緣上見到彩色電視環(huán)帶，這種現(xiàn)象稱為色象差。色象差同樣可以靠透鏡組來(lái)減小影響。在光路中加上濾光片，使白色光變成單色光也能有效地減小色象差。3）象域彎曲垂直于光軸的平面，通過(guò)透鏡所形成的象，不是平面而是凹形的彎曲象面，這種現(xiàn)象叫象域彎曲。象域彎曲是由于各種象差綜合作用的結(jié)果。一般物鏡都或多或少地存在著象域彎曲，只有校正極佳的物鏡才能達(dá)到趨近平坦的象域。（3）物鏡顯微鏡觀察所見到的象是經(jīng)物和目鏡兩次放大后所得到的虛象，其中目鏡僅起到將物鏡放大的實(shí)象再放大的作用。因此，顯微鏡的成象質(zhì)量如何，關(guān)鍵在物鏡。物鏡的種類按象差校正分類，常用的鏡的種類有消色差物鏡（無(wú)標(biāo)志）、復(fù)消色差物鏡（標(biāo)志APO）和平面消色差物鏡（標(biāo)志PL或Plan）。其中消色差物鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，象差已基本上予以校正，故普通小型金相顯微鏡多采用這種物鏡。另外，按物體表面與物鏡間的介質(zhì)分，有介質(zhì)為空氣的干系物鏡和介質(zhì)為油的油系物鏡兩類。按放大倍數(shù)分，還可分為低倍、中倍和高倍。無(wú)論哪種物鏡，都是由多片透鏡組合而成的。1） 物鏡上的標(biāo)志按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，物鏡的放大倍數(shù)和數(shù)值孔徑，標(biāo)在鏡筒中央清晰位置，并以斜線分開。例如45/0。63、90X/1。30等。表示鏡筒長(zhǎng)度的字樣或符號(hào)以及有無(wú)蓋玻片的符號(hào)，標(biāo)在放大倍數(shù)和數(shù)值孔徑的下方，并用斜線分開。例如160/—、訕等表示干系或油系的字樣，可標(biāo)在放大倍數(shù)和數(shù)值孔徑的上方或其它合適位置。2） 數(shù)值孔徑（N。A。）數(shù)值孔徑（numericalapertyre以符號(hào)N。A。表示）表征物鏡的集光能力，其值大小取決于進(jìn)入物鏡的光線錐所張開的角度，即孔徑角的大小N。A。=nsinq式中n為試樣與物鏡間介質(zhì)的折射率，空氣介質(zhì)n=1,松柏油介質(zhì)n=1。515，q為孔徑角的半角。如圖1-2所示。數(shù)值孔徑N。A。值的大小標(biāo)志著物鏡分辯率的高低，干系物鏡因n=1而sinq總小于1，故N。A。＜1。油系物鏡因n值可高達(dá)1。5以上，故N。A?！?。

圖1-2孔徑角示意圖3）物鏡的分辯率顯微鏡的分辨率主要取決于物鏡。分辯率的概念與放大倍數(shù)（又稱放大率）不同，可以作這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：用兩個(gè)不同的物鏡在同樣放大倍數(shù)下觀察同一個(gè)細(xì)微組織，能夠得到兩種不同的效果：一個(gè)可以清楚地分辨出組織中相距很近的兩個(gè)點(diǎn)；另一個(gè)只能看到這兩個(gè)點(diǎn)連在一起的模糊輪廓。如圖1-3所示。顯然前一個(gè)物鏡的分辨率高，而后一個(gè)物鏡的分辨率低。所以說(shuō)，物鏡的分辨率可以用物鏡所能清晰分辯出的相鄰兩點(diǎn)間最小距離d來(lái)表示。d與數(shù)值孔徑的關(guān)系如下：2N.A.式中1為入射光的波長(zhǎng)；N。A。為物鏡的數(shù)值孔徑（無(wú)量綱量）。圖1-8物鏡分辨率高低示意圖（a分辨率高，b分辨率低）可見，分辨率與入射光的波長(zhǎng)成正比，1愈短分辨率愈高；與數(shù)值孔徑成反比，物鏡的數(shù)值孔徑愈大分辨率愈高。4）有效放大倍數(shù)能否看清組織的細(xì)節(jié)，除與物鏡的分辨率有關(guān)外，還與人眼實(shí)際分辨率有關(guān)。如物鏡分辨率很高，形成清晰的實(shí)象，可是與之配用的目鏡倍數(shù)過(guò)低，至使觀察者難以看清。此時(shí)稱“放大不足”，即未能充分發(fā)揮物鏡的分辨率，但是，誤認(rèn)為選用的目鏡倍數(shù)愈高，即總放大倍數(shù)愈大看得愈清晰，這也是不妥當(dāng)?shù)?。?shí)踐證明，超過(guò)一定界限，放得愈大映象反而是愈模糊，此時(shí)稱“虛偽放大”。物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定了顯微鏡的有效放大倍數(shù)。所謂有效放大倍數(shù)，是指物鏡分辨清晰的d距離，被人眼也同樣分辨清晰所必須放大的倍數(shù)，用M表示。觀察M=觀察一二 --N.A.d A2N.A.式中，1為人眼的分辨率，在250mm處正常人眼分辨率為0。15?0。30mm。了解有效放大倍數(shù)范圍，對(duì)考慮物鏡和目鏡的正確選擇十分重要。例如25倍的物鏡，N。A。=0。4,其有效放大倍數(shù)應(yīng)在500（0。4）?000（0。4）倍，即200~400倍范圍內(nèi)。因此應(yīng)選擇8倍或16倍的目鏡與該物鏡配合使用。⑷目鏡常用的目鏡按其構(gòu)造可分為五種：負(fù)型目鏡、正型目鏡、補(bǔ)償目鏡、攝影目鏡和測(cè)微目鏡。1） 負(fù)型目鏡負(fù)型目鏡以福根目鏡為代表，福根目鏡是由兩片單一的平凸透鏡并在中間加一光闌組成。接近眼睛的透鏡稱目透鏡，起放大作用；另一透鏡稱場(chǎng)透鏡，能使映象亮度均勻。中間的光闌可以遮擋無(wú)用光，提高映象清晰度。福根目鏡并未對(duì)透鏡象差加以校正，故只適于和低倍或中倍消色差物鏡配合使用。2） 正型目鏡正型目鏡以雷斯目鏡為代表。雷斯登目鏡也是由兩片凸透鏡組成，所不同的是光闌在場(chǎng)透鏡的外面。這種目鏡有良好的象域彎曲校正，球面象差也比較小，但色象差比富根目鏡嚴(yán)重。另外，在相同放大倍數(shù)下，正型目鏡的觀察視場(chǎng)比負(fù)型目鏡略小。3） 補(bǔ)償目鏡補(bǔ)償目鏡是一種特制的目鏡，結(jié)構(gòu)較上述兩咱都復(fù)雜。與復(fù)消色差物鏡配合使用，可以補(bǔ)償校正殘余色差，得到全面清晰的映象，但不宜與普通消色差物鏡配合使用。4） 攝影目鏡攝影目鏡專用于金相攝影，不能用于觀察。由于對(duì)透鏡的球面象差\象域彎曲均有良好的柿餅正，與物鏡配合，可在投影屏上形成平坦\清果的實(shí)象。凡帶有攝影裝軒的顯微鏡均配有攝影目鏡。5） 測(cè)微目鏡測(cè)微目鏡是為滿足組織測(cè)量的需求而設(shè)制的。內(nèi)裝有目鏡測(cè)微器，為看清目鏡中標(biāo)尺刻度，可借助螺旋調(diào)節(jié)裝置移動(dòng)目透鏡的位置。測(cè)微目鏡與不同放大倍數(shù)的物鏡配合使用時(shí)，測(cè)微器的格值是不同的。確定格值，需要借助物鏡測(cè)微器（即1mm距離被等分100格的標(biāo)尺）6） 目鏡上的標(biāo)志普通目鏡上只標(biāo)有放大倍數(shù)。如7x、10x、12。5x等。補(bǔ)償目鏡上還標(biāo)有一個(gè)K字，如K10x、K30x。2光路系統(tǒng)小型金相顯微鏡，按光程設(shè)計(jì)可分為直立式和倒立式兩種類型。凡試樣磨面向上，物鏡向下的為直立式，而試樣磨面向下，物鏡向上的為倒立式。如圖1-4所示。圖1-4金相顯微鏡光程示意圖（a倒立式，b直立式）以倒立式為例，光源發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)透鏡組投射到反射鏡上，反射鏡將水平走向的光變成垂直走向，自下而上穿過(guò)平面玻璃物鏡，投射到試樣磨面上；反射進(jìn)入物鏡的光又自上而下照到平面玻璃上，反射后的水平進(jìn)入棱鏡，通過(guò)折射，反射后進(jìn)入目鏡。1）光源金相顯微鏡和生物顯微鏡不同，必須有光源裝置。作為光源的有低壓鎢絲燈泡、氙燈、碳弧燈和鹵素?zé)舻燃?jí)。目前，小型金相顯微鏡用得最多的是6?8V、15?30W的低壓鎢絲燈泡。為使發(fā)光點(diǎn)集中，鎢絲制成小螺旋狀。2） 光源照明方式光源照明方式取決于光路設(shè)計(jì)，一般采用臨界照明和科勒照明兩種。所謂臨界照明方式即光源被成象于物平面上，雖然可以得到最高的亮度，但對(duì)光源本身亮度的均勻性要求很高。而科勒照明方式即光源被成象于物鏡的后焦面（大體在物鏡支承面位置），由物鏡射出的是平行光，即可以使物平面得到充分照明，又減少了光源本身亮度不均勻的影響，因此目前應(yīng)用較多。3） 孔徑光闌孔徑光闌位于靠近光源處，用來(lái)調(diào)節(jié)入射光束的粗細(xì)，以便改善映象質(zhì)量。在進(jìn)行金相觀察和攝影時(shí)，好生光闌開得過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響映象的質(zhì)量。過(guò)大，會(huì)使球面象差增加，鏡筒內(nèi)反射光和炫光也增加，映象疊映了一層白光顯著降低映象襯度，組織變得模糊不清。過(guò)小，進(jìn)入物鏡的光束太細(xì)減少了物鏡的孔徑角，使物鏡的鑒別率降低，無(wú)法分清微細(xì)組織，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致映象出現(xiàn)浮雕和疊影而不清晰。因此孔徑光闌張開的大小應(yīng)根據(jù)金相組織特征和物鏡放大倍數(shù)隨時(shí)調(diào)整達(dá)到最佳狀態(tài)。4） 濾光片作為金相顯微鏡附件，常備有黃、綠、藍(lán)色濾光片。合理選用濾光片可以減少物鏡的色象差，提高映象清晰度。因?yàn)楦鞣N物鏡的象差，在綠色波區(qū)均已校正過(guò)，綠色又能給人以舒適感，所以最常用的是綠色濾光片。5） 視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌的作用與孔徑光闌不同，其大小并不影響物鏡的鑒別率，只改變視場(chǎng)的大小。一般應(yīng)將視場(chǎng)光闌至全視場(chǎng)剛剛露出時(shí)，這樣，在觀察到整個(gè)視場(chǎng)的前提下最大限度在減少鏡筒內(nèi)部的反射光和炫光，以提高映象質(zhì)量。6） 映象照明方式金相顯微鏡常用的映象照明方式有兩種，即明場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明。明場(chǎng)照明方式是金相分析中最常用的。光從物鏡中內(nèi)射出，垂直或接近垂直地投向物平面。若照到平滑區(qū)域，光線必將被反射進(jìn)入物鏡，形成映象中的白亮區(qū)。若照到凹凸不平區(qū)域，絕大部分光線將產(chǎn)生漫射而不能進(jìn)入物鏡，形成映象中的黑暗區(qū)。在鑒別非金屬夾雜物透明度時(shí)，往往要用暗場(chǎng)照明方式。光源發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)透鏡變成一束平行光。又通過(guò)環(huán)形遮光板，因中心部分光線被遮擋而成為管狀光束。經(jīng)45反射鏡環(huán)反射后將沿物鏡周圍投射到暗場(chǎng)罩前緣內(nèi)側(cè)反射鏡上。反射光以很大的傾斜角射向物平面，如照到平滑區(qū)域，降將以很大的傾斜角反射,故難以進(jìn)入物鏡，形成映象中的黑暗區(qū)。只有照到凹凸不平區(qū)域的光線，反射后才有可能直入物鏡，形成映象中的白亮區(qū)，因此與明場(chǎng)照明方式映象效果相反。3機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)主要包括載物臺(tái)、沮調(diào)機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)和物鏡轉(zhuǎn)換器。載物臺(tái)是用來(lái)支承被觀察物體的工作臺(tái)，大多數(shù)顯微鏡的載物臺(tái)都能在一定范圍內(nèi)平移，以改變被觀察的部位。粗調(diào)機(jī)構(gòu)是在較大行程范圍內(nèi)，用來(lái)改變物體和物鏡前透鏡間軸向距離的裝置，一般采用齒輪齒條傳動(dòng)裝置。微調(diào)機(jī)構(gòu)是在一個(gè)很小的行程范圍內(nèi)約2mm），調(diào)節(jié)物體和物鏡前透鏡間軸向距離的裝置。一般采用微調(diào)齒輪傳動(dòng)裝置。物鏡轉(zhuǎn)換器是為了便于更換物鏡而設(shè)置的。轉(zhuǎn)換器上同時(shí)裝幾個(gè)物鏡，可任意將所需物鏡轉(zhuǎn)至并固定在顯微鏡光軸上。圖1-5國(guó)產(chǎn)4XB倒立式金相顯微鏡（二）使用顯微鏡時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)1操作者的手必須洗凈擦二，并保持環(huán)境的清潔、干燥;2用低壓鎢絲燈光作光源時(shí)，接通電源必須通過(guò)變壓器，切不可誤接在220V電源上；3更換物鏡，目鏡時(shí)要格外小心，嚴(yán)防失手落地；4調(diào)節(jié)物體