非常有用的固體物理實驗方法課第3章-光學顯微分析

第3章光學顯微分析3.1概述3.2光學透鏡的成像原理3.3金相顯微鏡3.4金相試樣的制備3.5偏光顯微鏡3.1概述1625年，人門第一次把一個放大用的工具命名為顯微鏡，直到1655年才開始用在科學上。

羅伯特·虎克制造的顯微鏡（1665）羅伯特·虎克觀察到的細胞1665最早應用于科學用途的顯微鏡列文虎克和他的顯微鏡（約1680）列文虎克觀察到的“小動物”18世紀單筒顯微鏡

18世紀雙筒顯微鏡19世紀雙筒顯微鏡普通光學顯微鏡相位差顯微鏡解剖顯微鏡光學顯微鏡3.2光學透鏡的成像原理1、光的折射2、光的衍射3、透鏡的像差1.光的折射光的折射特點：（1）介質(zhì)中光傳播的速度越大，則該介質(zhì)的折射率越小；（2）光在真空中的傳播速度最大。（3）同一介質(zhì)的折射率因所用光波波長而異（折射率色散）對于同一介質(zhì)，光波的波長與折射率成反比。

光的折射定律：abABNIirII凸透鏡的五種成像規(guī)律

(1)當物體位于透鏡物方二倍焦距以外時，則在像方二倍焦距以內(nèi)、焦點以外形成縮小的倒立實像；

(2)當物體位于透鏡物方二倍焦距上時，則在像方二倍焦距上形成同樣大小的倒立實像；

(3)當物體位于透鏡物方二倍焦距以內(nèi)，焦點以外時，則在像方二倍焦距以外形成放大的倒立實像；

(4)當物體位于透鏡物方焦點上時，則像方不能成像；

(5)當物體位于透鏡物方焦點以內(nèi)時，則像方也無象的形成，而在透鏡物方的同側(cè)比物體遠的位置形成放大的直立虛像。2.光的衍射

光在傳播過程中，如果遇到障礙物，其傳播方向會發(fā)生變化，能繞過障礙物的邊緣而繼續(xù)前進而發(fā)生衍射現(xiàn)象。S1S2S1S2S1S2能分辨恰能分辨不能分辨

瑞利判據(jù)（Reyleigh’scriterion）：S1S2I對玻璃透鏡，取最大孔徑半角a=70～75°，在物方介質(zhì)為油的情況下，n～1.5，則其數(shù)值孔徑nsina=1.25～

1.35，上式可簡化為如果兩個物點靠近，相應的兩個Airy斑也逐漸重疊．當斑中心間距等于Airy斑半徑時，強度峰谷值相差19，人眼可以分辨?？梢姽獾牟ㄩL范圍是390nm-760nm,3、光學透鏡的像差

像差：在成像中出現(xiàn)的所有缺陷和偏差。按像差產(chǎn)生的原因來分類單色像差（球差、像場彎曲、像散）色差αP’象P’’透鏡物P光軸球差RsRs越小，透鏡的分辨率越高透鏡物P光軸色差紫紅3.3金相顯微鏡1、工作原理2、顯微鏡的結(jié)構(gòu)1、工作原理顯微鏡的放大倍數(shù)M可由下式確定：

物鏡：靠近物體的透鏡。目鏡：靠近眼睛的透鏡。物鏡使物體AB形成放大倒立的實像A‘B’（稱為中間像）目鏡將A‘B’放大成倒立虛像A″B″。其位置正好是明視距離（約為250mm處），在顯微鏡里看到的就是這個虛像A″B″。AB物鏡A’B’目鏡A’’B’’DLf目LAB物鏡目鏡A1B1B3A3f2D修改圖物鏡使物體AB形成放大倒立的實像A1B1（稱為中間像）,目鏡將A1B1放大成倒立虛像A3B3。其位置正好是明視距離（約為250mm處），在顯微鏡里看到的就是這個虛像A3B3。2、顯微鏡的結(jié)構(gòu)

機械和支架系統(tǒng)濾光片組成光學放大系統(tǒng)照明系統(tǒng)物鏡光源聚光鏡目鏡光學顯微鏡基本結(jié)構(gòu)：1.

照明燈2.

聚光器3.

載物臺和切片夾4.

推進器5.

物鏡6.

粗細螺旋7.

目鏡8.

照相機等接口物鏡(objective)

物鏡是光學顯微鏡成像系統(tǒng)中決定其分辨率（分辨本領）的最關鍵部件。根據(jù)像差的校正程度，物鏡可分為下列幾種(1)消色差物鏡（apochromaticobjective）(2)復消色差物鏡(apochromaticobjectiveAPO)(3)螢石物鏡(fluoriteobjectiveFL)(4)平場物鏡(planobjective)

“PL”(平場消色差物鏡)

“PL．APO”(平場復消色差物鏡)

“PL·FL”（平場螢石物鏡）物鏡的種類消色差物鏡（apochromaticobjective）色差校正使可見光中紅光和藍光聚焦于一點，而黃綠光則聚焦于另一點。能夠消除光譜中紅光和藍光所形成的色差。這種物鏡與目鏡配用時可達到消色差物鏡所要求的光學性能。

根據(jù)介質(zhì)情況分

(1)干燥系(drysystem)物鏡

(2)浸沒系(immersionsystem)物鏡

油浸物鏡外殼上刻有：“oil”、“imm”和“HI”等字樣

水浸物鏡刻有“W”或“Water”字樣

油、水浸兩用物鏡則刻上“oil+w”字樣

甘油浸沒物鏡刻有"Glyc"或“Glyz”等字樣物鏡的識別1）物鏡類型國產(chǎn)：用英文縮寫國外：用英文名稱2)放大倍數(shù)

用數(shù)字表示，如4×、10×

、20×

、40×和100×等。

3)數(shù)值孔徑（N．A）

如／0.25，／0.65和／1.3

4)標準機械筒長

160／0.17160／0或160／-；∞／0或∞／-

5)需用蓋片情況

6)物鏡與被檢樣品間的介質(zhì)情況干鏡頭一般不標符號，凡油浸標“HI”或“oil”目鏡(eyepiece，ocular)目鏡可分下列幾種：

1．惠更斯目鏡(Huygeianeyepieces)

2．蘭姆斯登目鏡(Ramsdeneyepieces)

3．補償目鏡(compensatingeyepieces)

4．平場目鏡(planeyepiece)

“PEN—PLAN”、“PLANOSCOPIC”、“PLAN”、“KPL"、“GF”和"GW”等。

5．攝影目鏡(photographic·eyepiece)

1．鎢絲燈

通常，工作電壓6-8V,功率15-100W

2．鹵鎢燈

“碘鎢循環(huán)”I2---2I---WI2---W+I23、碳弧燈

采用交流電，使相互接近的碳棒，產(chǎn)生強烈的電弧而發(fā)光4、氙燈

石英玻璃管內(nèi)裝鎢電極并沖入高壓氙氣，利用放電發(fā)光

照明光源（lightsource）聚光鏡（condenser）

光源射出的光線通過聚光器匯聚成光錐照射標本，增強明度和造成適宜的光錐角度，提高物鏡的分辨力。聚光器由聚光鏡和虹彩光圈組成。調(diào)節(jié)聚光鏡的高度和虹彩光圈的大小，可得到適當?shù)墓庹蘸颓逦膱D像。

濾光片（filter）選用適當?shù)臑V光片，可以提高分辨力，增加影像的反差和清晰度。濾光片有紫、青、藍、綠、黃、橙、紅等各種顏色的，分別透過不同波長的可見光，可根據(jù)標本本身的顏色，在聚光器下加相應的濾光片。

(1)數(shù)值孔徑(numerialaperture)顯微鏡的能力

(2)分辨率(resolvingpower)(3)放大率(magnification)(4)焦點深度(depthoffocus)3.4金相試樣的制備取樣鑲樣磨光拋光顯示磨制

究竟選用何種方法，則視零件的大小、性質(zhì)、材質(zhì)和熱處理工藝等具體條件而定，但截取的試樣必須保證觀察面的組織不受到影響。截取金相試樣的方法很多，方法和種類如圖所示。金相試樣切割機1、取樣試樣截取方法氣割機械法線切割砂輪切割鋸機床打斷車床銑床刨床2、鑲樣小試樣的夾持方法（a）薄片試樣；（b）塊狀試樣

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。熱鑲樣機熱鑲嵌----鑲嵌材料有熱固性塑料(如電木粉)、熱塑性塑料(如聚氯乙烯)。電木粉不透明，有各種顏色，比較硬，試樣不易倒角，但耐腐蝕性能比較差；聚氯乙烯為半透明或透明的，耐腐蝕性能好，但較軟。鑲樣均需用專門的鑲樣機加壓加熱成型。冷鑲嵌----對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。環(huán)氧樹脂、牙托粉鑲嵌法對粉末金屬，陶瓷多孔性試樣特別適用。3、磨光

手工磨光