金相显微镜的结构与使用

第一章 光学金相显微镜的结构与使用一、原理概述金钉分析是人们通过金相显微镜来研究金属和合金显微组织大小、形态、分布、数量和性质的一种方法。

显微组织是指如晶粒、包含物、夹杂物以及相变产物等特征组织。

利用这种方法来考查如合金元素、成分变化及其与显微组织变化的关系：冷热加工过程对组织引入的变化规律；应用金相检验还可对产品进行质量控制和产品检验以及失效分析等。

1．金相显微镜的成象原理简介人眼对客观物体细节的鉴别能力是很低的，一般是在0.15~0.30mm 间。

因此，观察认识客观物体的显微形貌，必需藉助显微镜。

显微镜放大的光学系统由两级组成。

第一级是物镜，细节AB 通过物镜得到放大的倒立实角A 1B 1。

A 1B 1的细节虽已为被区分开，但其尺度仍很小，仍不能为人眼所鉴别，因此，还需第二次放大。

第二级放大是通过目镜来完成。

当经第一级放大的倒立实象处于目镜的主焦点以内时，人眼可通过目镜观察到二次放大的A 3B 3的正立虚象。

(1) 物镜的成象根据几何光学可知，当被观察的物体处于该透镜的一倍焦距与二倍焦距之间时，物体的反射光通过物镜经折射后在透镜的另一侧可以得到一个放大的倒立实像。

为了充分发挥物镜的能力，一般设计时是让被观察物体处于很接近于焦点处，因此计算其放大倍数时可以用物镜的焦距f 。

见图1-1。

11A B LM AB f ''=≈物物式中：f 物——接物镜焦距；L ——F 1到实象间的距离； M 物——物镜放大倍数。

(2) 目镜的成象 同样据几何光学成象规律可知，当被观察物体处于该透镜的一倍焦距以内时，人眼通过透镜观察，可以在250mm 远处看到一个放大了的正立虚象(250mm 在这里称为明视距离)。

见图1-2。

目镜的放大倍数250M f =目目式中：f 目——目镜的焦距；250——人眼的明视距离(mm)/； M 目——目镜的放大倍数。

(3) 显微镜的成象图1-2 目镜放大成象原理图被观察物体的细节经物镜放大后的实象落到目镜主焦点以内后，人眼观察可看到经两次放大后的虚象。

A 3B 3虚象就是经物镜和目镜两次放大后的组合物象。

见图1-3。

以上是从几何光学出发进行的简述，有关物理光学成象请参考实验技术参考之一。

显微镜总的放大倍数250L M M M f f =⨯=⨯目总物目物2．透镜的象差物镜是显微镜中最重要的光学器件。

现代物镜多是由多块透镜组合成的复合透镜构成。

物镜的放大倍数主要决定于物镜前透镜的尺寸及曲率。

前透镜以后的一系列透镜称为“后透镜”，后透镜主要是为了校正透镜的象差，以达到提高成象质量的目的。

透镜的象差按其产生的原因一般作如下分类：面象差、介： (1) 球面象差 心与边缘厚薄不同，即使是单色光通过时也将产生不同的折射，通过透镜后不焦集于一点，轴上象点被一个弥散的光斑所代替，这就是球面象差。

为了改善球面象差，现在都采用复合透镜，即在主透镜前加一发散凹透镜。

尽管如此，并不能完全消除，因此在使用显微镜是坷通过适当调节孔径光阑的大小加以改善。

见图1-4。

(2) 象域弯曲直立物体通过透镜后得到弯曲的映象，称为象域弯曲。

其形成原因是由远轴细光束倾斜射入透镜造成的。

这种象差对金相显微摄影尤为不利，所以在金相摄影时；应选用平面消色差和平面复消色差物镜，因为它们对视场边缘进行了色差校正。

见图1-5。

(3) 多色象差多色象差是指白色光通过透镜后，由于折射引起光的分解（色散）所造成的一系列采色群象现象。

其中又分为纵向色差和横向色差。

纵向色差是指从轴上某一点发出的非单色光的光束，由于组成中包括有不同（λ）的光波，将会发生色散，致使这些光线交于轴上不同的点，形成一系列群象的色差现象。

见图1-6。

横向色差。

由于各种颜色光线折射率不同，故焦距也不同，但因为放大倍数与焦距有关，所以目的物上不在轴上的点在离轴不同的距离处成象，这时便产生横向色差，也有称为放大色差的。

见图1-7。

3．物镜和目镜轴上向差 轴外象差 球面象差 慧形象差象 散 象域弯曲单色象差多色象差图1-3 显微镜成象原理图显微镜的主要光学器件是物镜和目镜。

显微镜的成象质量、鉴别能力、有效放大倍数主要决定于物镜，因此，以下将着重于物镜的介绍。

(1) 物镜的类型物镜的类型是根据透镜的象差、色差校正程度来分类的。

其分类和校正情况参见表1-1。

(2) 物镜的性质a. 放大倍数：物镜的放大倍数，是指物镜在线长度上放大实物倍数的能力指标。

有两种方法，一种是直接在物镜上刻度出如8X 、10X 、45X 等；另一种则是在物镜上刻度出该物镜的焦距f ，焦距越短，放大倍数越高。

前一种物镜放大倍数公式为LM f =物物，L 是光学镜筒长度，L 值在设计时是很准确的，但在实际应用时，因不好量度，常用机械镜筒长。

机械镜筒长度是指从显微镜目镜接口处到显微镜上物镜上物镜接口处之直线距离。

每一物镜上都用数字标明了机械镜筒长度，在使用中如选用另一台显微镜的物镜时，其机械镜筒长度必须相同，这时倍数才有效。

否则，显微镜的放大倍数应予修正，应为：M M M C =⨯⨯目物式中： C----为修正系数。

修正系数可用物镜测微尺和目镜测微尺定度出来。

b. 数值孔径：数值孔径是反映物镜的集光能力。

集光能力与进入物镜之光线锥所张开的角度----孔径角有重要关系。

根据理论的推算和试验证明：显微镜对于试样上细微部分的鉴别能力，主要决定于孔径角的大小。

孔径角越大从试样上反射进入物镜的光线就越多，鉴别能力就高，呈象鲜明。

在物镜上可以看到标有0.30或0.65或0.95等数值，这就是“数值孔径”的数值。

数值孔径通常以符号“N.A ”或“A ”表示。

见图1-8。

N·A =n·sinφ式中：n----物镜与观察物之间的介质折射率；φ----物镜孔径角的半角，φ亦可称角孔径。

图1-4 球面象差图1-5 象域弯曲图1-6 多色象差图1-7 横向色差从上式中可以看出，n 和φ越大，N·A 值也越大。

增大物镜孔径角，使N.A 值增大有几种办法。

一是增大透镜直径(见图1-9)，但物镜直径的增大会使球面象差和色象差增大，因此，在显微物镜中一般不采用。

第二是通常采用的 缩短焦距的办法(见图1-10)。

第三种办法是增 大介质折光率(见图1-11)，一般物镜与物体间的介质是空气，光线在空气中的折射率n=1，若物镜与试样之间滴入一种折射率大又能透光的介质油，最常用的介质是松柏油(n=1.515)，其数值孔径将大大提高。

从图1-11可以看出，同样直径、焦距的物镜，因为改变了介质，将会明显提高物镜的数值孔径值。

物镜在设计和使用中指定以空气为介质的称干系物镜；指定需加油作为介质使用的称油浸物镜。

物镜的孔径角一般不超过140°。

因此φ=70°，则sinφ=0.94，对于干系物镜最大数值孔径N.A=0.94；而对于油镜，因为介质为松柏油（n=1.515），则其最大数值孔径N.A=1.42。

当用α-壹代溴荼为介质时，n=1.658，最高数值孔径可达1.60。

c. 物镜的标记表1-2 国内外显微镜物镜常用标记物镜类型 国内用标记国外用标记 消色差物镜 复消色差 半复消色差 平场消色差 平场复消色差偏光 相衬 长焦距 油浸系/ FS BF PC PF PG XC CJ Y 或油Achromatic ApochromaticPlanachromatic PlanapochromaticPol PhacoOil 或Oel 、Hl 。

Ol数学符号识别(见图1-12)如 10/0.65 表示放大40×，N.A=0.65：160/0 表示机械镜筒长为160mm ，不用盖玻片；或 ∞/0 表示机械镜筒长为∞，不用盖玻片。

d. 物镜的鉴别能力：显微镜的鉴别能图1-8 物镜聚光 图1-9 增大透镜经图1-10 缩短物镜焦距 图1-11 增大介质的折射率 图1-12 物镜性能标志力主要决定于物镜。

物镜的鉴别能力可分为平面和垂直鉴别能力。

平面鉴别能力是指物镜对显微组织所能获得清晰可分映象的能力。

分辨率一般用能分辨两点间最小距离d 的倒数(1/d)表示。

一般来讲从实用的角度分辨率只是一个比较数。

而两点间最小距离d 对实用有重要意义。

由于光的衍射现象，试样上的一点经过物镜造象后，它在成象平面上会得到一个比原来的点大一些的圆形光斑(图1-13)。

如果试样上有两个相邻的点，象平面上就会有两个邻的光斑，如果两物点的距离过小，物镜不能分辨时，对应的光斑重叠，这时就不能分辨两物点的映象(见图1-14)。

显微镜的平面鉴别能力可由下式求得2.d N A λ=式中：λ——入射光源的波长； N.A ——物镜的数值孔径。

从上式中可以看出，当λ为定值时N.A 值越大，d 值越小，说明显微镜能分辨的最小间距值越小，物镜的鉴别能力越高。

当λ值越小，d 值也会小。

取白色光的平均波长为0.00055mm ；如前述一般物镜孔径角不会超过140°，使用香柏油作介质和油浸物镜，经用上式计算d≈0.0002mm 。

这就是一般显微镜的极限分辨能力。

垂直鉴别能力又称为景深，是物镜对高低不平的物体清晰造象的能力。

这时的深度是指在平面获得清晰造象时，在聚焦平面前、后之间高低不平的物体能较清晰成象时的距离。

垂直鉴别能力h 可由下式求得：27.2(.)n h N A M N A λ=+式中：n ——介质折光率； λ——入射光源的波长； M ——显微镜放大倍数； N.A ——数值孔径。

(3) 目镜经过物镜放大的象(区分开的细节)往往尺度还很小，还不能为人眼所分辨。

目镜能起到再放大的作用，使在显微观察时，在明视距离处能看到一个清晰放大的虚象；而在显微摄影时，通过投射目镜能在承影屏上得到一个放大倒立的实象。

某些物镜(如补偿目镜)除放大作用之外，还能将物镜造象的残余象差予以校正。

由于入射光束接近平行，目镜的角孔径极小，故目镜本身的鉴别能力甚低，它的主要功能是将物镜的初步映象再次进行放大供人眼观察。

目镜按其构造型式，可分为负型(福根型)目镜、正型(雷斯登型)目镜、补偿型目镜和放大型目镜几种。

目镜按其用途可分为测微目镜、示教目镜、双筒目镜、专用于摄影的紫外线目镜等。

4．显微镜的有效放大倍数显微镜是提供人们观察物体细节的一种仪器，在保证鉴别能力的前题下，将物体放大一图1-13 发光点衍射斑图1-14 物镜分辨能力定的倍数使达到人眼所能分辨。

因此放大倍数与人眼鉴别能力是相关的。

正常人眼的鉴别能力在明视距离250mm 远处为0.15~0.30mm 间。

设人眼鉴别能力为e ，则根据前述公式可导出：2./(2.)e e e N A M d N A λλ=== 当λ选平均波长为0.00055mm 时，e 为0.15mm 时，最小放大倍数为： 0.3.500.N AM N Aλ⨯=≈最小当λ选平均波长为0.00055mm 时，e 为0.30mm 时，最大放大倍数为：0.6.1000.N AM N Aλ⨯=≈最大M 最小和M 最大之间的范围称为“有效放大倍数”。