试验一显微镜.docx
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试验一显微镜
实验一金相显微镜的原理、构造及使用
一．实验目的
1）了解金相显微镜的成像原理、基本构造、各主要部件及元件的作用；
2）学习和初步掌握金相显微镜的使用和维护方法。
二．实验概述
金相分析是研究材料内部组织和缺陷的主要方法之一，它在材料研究中占有重要的地位。
利用金相显微镜将试样放大100~1500倍来研究材料内部组织的方法称为金相显微分析法，是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术。
显微分析可以研究材料内部的组织与其化学成分的关系；可以确定各类材料经不同加工及热处理后的显微组织；可以判别材料质量的优劣，如金属材料中诸如氧化物、硫化物等各种非金属夹杂物在显微组织中的大小、数量、分布情况及晶粒度的大小等。
在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜两大类。
这里主要对常用的光学金相显微镜作一般介绍。
金相显微镜用于鉴别和分析各种材料内部的组织。
原材料的检验、铸造、压力加工、热处理等一系列生产过程的质量检测与控制需要使用金相显微镜，新材料、新技术的开发以及跟踪世界高科技前沿的研究工作也需要使用金相显微镜，因此，金相显微镜是材料领域生产与研究中研究金相组织的重要工具。
三．金相显微镜的基本理论知识
3.1显微镜的成像原理
众所周知，放大镜是最简单的一种光学仪器，它实际上是一块会聚透镜（凸透镜），利用它可以将物体放大。
其成像光学原理如图1-1所示。
当物体AB置于透镜焦距f以外时，得到倒立的放大实像A′B′（如图1-1（a）），它的位置在2倍焦距以外。
若将物体AB放在透镜焦距内，就可看到一个放大正立的虚象A′B′（如图1-1（b））。
映象的长度与物体长度之比（A′B′/AB）就是放大镜的放大倍数（放大率）。
若放大镜到物体之间的距离a近似等于透镜的焦距（a≈f），而放大镜到像间的距离b近似相当于人眼明视距离（250mm），则放大镜的放大倍数为：
N=b/a=250/f
（a）实像放大
（b）虚像放大
图1-1放大镜光学原理图
由上式知，透镜的焦距越短，放大镜的放大倍数越大。
一般采用的放大镜焦距在10~100mm范围内，因而放大倍数在2.5~25倍之间。
进一步提高放大倍数，将会由于透镜焦距缩短和表面曲率过分增大而使形成的映象变得模糊不清。
为了得到更高的放大倍数，就要采用显微镜，显微镜可以使放大倍数达到1500~2000倍。
显微镜不象放大镜那样由单个透镜组成，而是由两级特定透镜所组成。
靠近被观察物体的透镜叫做物镜，而靠近眼睛的透镜叫做目镜。
借助物镜与目镜的两次放大，就能将物体放大到很高的倍数（~2000倍）。
图1-2所示是在显微镜中得到放大物像的光学原理图。
图1-2显微镜光学原理图
被观察的物体AB放在物镜之前距其焦距略远一些的位置，由物体反射的光线穿过物镜，经折射后得到一个放大的倒立实象
，目镜再将实像
放大成倒立虚像
，这就是我们在显微镜下研究实物时所观察到的经过二次放大后的物像。
3.2显微镜的质量
显微镜的质量主要取决于透镜的质量、放大倍数和鉴别能力。
3.2.1透镜的质量
3.2.1.1物镜
物镜是由若干个透镜组合而成的一个透镜组。
组合使用的目的是为了克服单个透镜的成像缺陷，提高物镜的光学质量。
显微镜的放大作用主要取决于物镜，物镜质量的好坏直接影响显微镜映像质量，它是决定显微镜的分辨率和成像清晰程度的主要部件，所以对物镜的校正是很重要的。
（1）物镜的类型
根据对透镜球面像差和色差的校正程度不同，可将物镜分为消色差物镜、复消色差物镜、平面消色差物镜、平面复消色差物镜、半复消色差物镜等多种。
这些由若干透镜组合而成的透镜组，可以在一定程度上消除或减少透镜成像的缺陷，提高成像质量。
A．消色差物镜（Achromatic）是较常见的一种物镜（表1-1），由若干组曲面半径不同的一正一负胶合透镜组成，只能矫正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。
此类物镜结构简单，经济实用，常和福根目镜、校正目镜配合使用，被广泛地应用在中、低倍显微镜上。
在黑白照相时，可采用绿色滤色片减少残余的轴向色差，获得对比度好的相片。
表1-1消色差物镜
光学系统
放大倍数
数值孔径（N.A.）
工作距离（mm）
鉴别率（mm）
干燥系统
10×
0.25
5.66
0.0015
干燥系统
45×
0.63
0.58
0.0004
油浸系统
100×
1.25
0.361
0.0002
B．复消色差物镜（Apochromatic）由多组特殊光学玻璃和荧石制成的高级透镜组组合而成。
它是显微镜中最优良的物镜，对球面差、色差都有较好的校正，适用于高倍放大。
但仍需与补偿目镜配合使用，以消除残余色差。
C．平面消色差物镜（Planachromatic）采用多镜片组合的复杂光学结构，较好地校正像散和像场弯曲，使整个视场都能显示清晰，适用于显微摄影。
D．平面复消色差物镜（PF,Planapochromat）除进一步作像场弯曲校正外，其它像差校正程度均与复消色差物镜相同，使映像清晰、平坦；但结构复杂，制造困难。
E．半复消色差物镜（Halfapochromatic）部分镜片用荧石制成，故又称荧石物镜，性能比消色差物镜好，价格比复消色差物镜便宜。
校正像差程度介于消色差与复消色差两种物镜之间，但其它光学性质都与后者相近；价格低廉，最好与补偿目镜配合使用。
（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。
在物镜上刻度出如8×、10×、45×等
B．镜筒长度：
镜筒长度是指物镜底面到目镜顶面的距离。
由于物镜的像差是依据一定位置的映像来校正的，因此物镜一定要在规定的机械镜筒长度上使用，一般显微镜的机械镜筒长度多为160mm、170mm、190mm。
金相显微镜在摄影时，由于放大倍数不同，映像投射距离变化很大，因此，优良的物镜的像差是按任意镜筒长度校正的，即在无限长范围内，物镜像差均已校正。
C．数值孔径：
数值孔径表征物镜的聚光能力，是物镜的重要性质之一，通常以“NA”表示。
物镜的数值孔径大小决定了物镜的分辨能力（鉴别）及有效放大倍数。
数值孔径越大，聚光能力越强，从试样反射进入物镜的光线越多，鉴别能力越好。
D．物镜的标记：
在物镜外壳上刻有不同的标记浸液记号、物镜类别、放大率、数值孔径、机械筒长度、盖玻片厚度。
油：
表示浸液为松柏油；100×/1.25：
表示物镜放大率为100倍，数值孔径1.25；160/0：
表示机械镜筒长度为160mm；“0”表示无盖玻片。
有些物镜刻有160/-：
表示机械镜筒长度为160mm。
“-”表示可有可无盖玻片。
在物镜上刻有色圈表示物镜的放大率。
高倍物镜通常都为油浸系，油镜头用“油”（或OiI，ÖL，HL）或外壳涂一黑圈来表示。
国家标准“GB/﹡2609—1981物镜的系列和色圈”的规定见表1-2。
E．物镜的鉴别能力：
显微镜的鉴别能力主要决定于物镜。
物镜的鉴别能力可分为平面和垂直鉴别能力。
平面鉴别能力即物镜的分辨率是指物镜所具有的将显微组织中两物点清晰区分的最小距离d的能力。
在显微镜中，能充分利用物镜分辨率的最低放大倍数称为有效放大倍数。
一般选择10~20倍目镜相配合。
如目镜倍数低于10倍，则未能充分发挥物镜的分辨能力；如果目镜倍数高于20倍，将会产生虚放大。
垂直鉴别能力即物镜垂直分辨率又称景深，是指物镜所具有在景深方面能清晰造像的能力，即垂直方面能清晰造像的最大景深深度，深度越大表示垂直鉴别率越大。
物镜的垂直鉴别率与数值孔径、放大倍数成反比。
视场光阑：
限制成像范围的光阑。
调节它的大小，便可改变试样表面被照亮区域的大小
3.2.1.2目镜
目镜也是显微镜的主要组成部分，它的主要作用是将由物镜放大所得的实像再次放大，从而在明视距离处形成一个清晰的虚像；因此它的质量将最后影响到物像的质量。
在显微照相时，在毛玻璃处形成的是实像。
目镜的构造比物镜简单得多。
目镜由两部组成，位于上端的透镜称目透镜，起放大作用；下端透镜称会聚透镜或场透镜，使映像亮度均匀。
在上下透镜的中间或下透镜下端，设有一光栏，测微计、十字玻璃、指针等附件均安装于此。
目镜的孔径角很小，故其本身的分辨率甚低，但对物镜的初步映像进行放大已经足够。
常用的目镜放大倍数有：
8×、10×、12.5×、16×等多种。
（1）目镜的类型
按其构造形式，一般可分为福根目镜、雷斯登目镜、补偿目镜、测微目镜、摄影目镜、广角目镜等。
A．福根目镜目镜可分正型目镜系和负型目镜系两类。
正型目镜的主焦点在场透镜以外，虽然由二个或两个以上的透镜组合而成，但整个光学系统可视为单一的凸透镜，故在适当情况下可单独作为放大镜使用。
负型目镜的主焦点是在场透镜以内，即在场透镜与目透镜两个透镜之间，显然不能单独作为放大镜使用。
最简单类型的目镜的焦点在两透镜之间，属于“负透镜”。
福根目镜是负型目镜系中最简单的一种。
它由二块分立的没有经过色差校正的平凸透镜组成，接近人眼的一块称为目透镜，它起放大作用。
另一块称为场透镜，它起使映像高度均匀的作用。
在二块之间装有一光栏，位于目透镜的前焦点处。
福根目镜未进行像差校正，或仅作部分球差校正，仍有一定程度的像差和畸变。
其放大倍数一般不超过15倍，适应于配合中、低倍物镜，用作观察或摄影。
如图1—6所示。
B．雷斯登目镜由两个平凸透镜组成，其主焦点在下透镜（场透镜）之外，故称正透镜。
雷斯登目镜对像场弯曲和畸变有良好的校正，球差也较小，但放大色差比福根目镜差。
它除用于观察和摄影外，也可用于放大。
C．补偿目镜垂轴色差为1.5%~2%的平场消色差物镜、平场半复消色差物镜、平场复消色差物镜等，都属于垂轴色差校正不足的物镜。
这些物镜需要与垂轴色差校正过头的目镜配合使用，故称这种目镜为补偿目镜。
补偿目镜具有过度的校正放大色差的特性，以补偿复消色差、半复消色差物镜的残余色差。
由于补偿目镜具有一定量的垂轴色差及其放大倍数较高（高达30倍），不宜与普通消色差物镜配合使用，宜与复消色差物镜或半复消色差物镜配合使用，以抵消这些物镜的残余色象差。
不可与消色差物镜配用，因为有“过正”产生，会使映像产生负向色差。
（a）观察时（b）照相投射时
图1-6福根（负型）目镜的造像
D．测微目镜在目镜中加入一片有刻度的玻璃薄片，用来定量测量，或进行显微压痕长度的测量。
根据测量目的可将刻度设计在直线、十字交叉线、方格网、同心圆或其他几何图形上。
E．摄影目镜此目镜专门用于摄影或近距离投影，不能用作显微观察或单独放大。
其像差校正与补偿目镜基本相同，宜与平面复消色差物镜或半复消色差物镜配用，使在规定放大倍数下具有足够平坦的映像。
F．广角目镜一般目镜视场角度在30°左右。
广角目镜是指视场角在50°以上，放大倍数在12.5倍以上的平场目镜，和视场角在40°以上，放大倍数在10倍以下的平场目镜。
（2）目镜性质
A．目镜的标记目镜上刻有如下标记：
目镜类别、放大率。
例如10×平场目镜刻有p10×；p即表示平场目镜，10×为放大率，一般惠更斯目镜不刻标记。
B．目镜的放大倍数目镜放大倍数是有规定的。
表1-3为国产显微镜目镜规格。
表1-3国产显微镜目镜系列（GB/﹡9246—1988）
分类
普通目镜
平场补偿目镜
放大倍数
6.3
8
10
12.5
10
20
25
10
12.5
16
20
25
最小视场
直径（mm）
18
16
14
12.5
10
8
6.3
16
12.5
10
8
6.3
代号
—
PB
3.2.3显微镜的鉴别能力（鉴别力）
显微镜的鉴别能力可由下式求得：
d=λ/2NA
式中：
λ——入射光源的波长；
NA——物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力。
可见，波长越短，数值孔径越大，鉴别能力就越高，在显微镜中就能看到更细微的部分。
一般物镜与物体之间的介质是空气，光线在空气中的折射率n=1，若一物镜的角孔径为60°，则其数值孔径为
NA=n×sinφ=1×sin30°=0.5
若在物镜与试样之间滴入一种松柏油（n=1.52），则其数值孔径为：
NA=1.52×sin30°=0.76
物镜在设计和使用中指定以空气为介质的称为“干系物镜”（或干物镜），以油为介质的称为“油浸系物镜”（或油物镜）。
从图1-7可以看出，油物镜具有较高的数值孔径，因为透过油进入到物镜的光线比透过空气进入的多，使物镜的聚光能力增强，从而提高物镜的鉴别能力。
四．金相显微镜的构造和使用
4.1金相显微镜的构造
4.1.1光学系统
物镜和目镜是光学系统中最重要的光学器件，在前述内容中已专门进行了介绍。
以下结合整体构造和本实验进行的需要，将教学实验中用XJP—300型的光学系统作简要介绍。
本显微镜为三目倒置金相显微镜，广泛应用在鉴别和分析各种金属和合金的组织结构。
对热处理后的材料作一般金相组织的研究工作。
4.1.2仪器的机械结构
本显微镜的机械结构紧凑，精度较高。
粗、微调机构集中在仪器的下方，重心较低，安放稳定。
载物台位于弧形镜臂上面，试样为复置安放，能胜任体积宽广的被观察物体。
目镜管呈45°倾斜，工作者观察舒适。
照明附设在圆形底盘内，便于移放。
各部分构造分述如下，见图1—1。
图1—1
（1）底座起支撑整个镜体的作用。
为了防止震动，有的在底座上装有四只防震橡皮脚。
（2）电源开关打开接通电源
（3）指示灯电源接通后指示灯亮
（4）场光圈置于载物台上露出试样部分
（5）物镜
序号
型号
放大倍数
数值孔径NA
系统
工作距离mm
1
消色差
10×
0.25
干
6.3
2
平场消色差
40×
0.65
0.7
3
消色差
100×
1.25
油
0.1
物镜和目镜配合倍率表：
总放大倍数物镜
目镜
10×
PC40×
100×
5×
50×
200×
500×
10×
100×
400×
1000×
12.5×
125×
500×
1250×
（6）镜身
（7）转换器这是快速更换物镜的装置。
转换器呈球面形，上有三个螺孔符合互换性，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。
当转换各物镜到光轴上时，有显著感觉的定位器定位。
（8）支架
（9）紧圈固定粗调手轮作用
（10）粗动手轮粗动手轮安装在镜体齿轮箱的两侧，位置适合观察者手臂支撑于工作桌上操作。
手轮传动内部的齿轮，使支承载物台的弯臂作上下升降。
（11）微动手轮微动手轮与粗动手轮同轴，用于使显微镜本体沿着滑轨缓慢移动。
（12）光亮度调节圈用于调节光的强弱
（13）载物台1放置试样用的机械载物台是显微镜的重要部件。
位于镜架上方，利于放置各种几何形状试样进行观察，可以直接用手左右、上下推动载物台，改变要观察的视场。
（14）目镜上面标有放大倍数
（15）观察镜筒
（16）摄影接口将所观察到的视场传递到电脑上
（17）止紧螺钉和调节螺钉调节视场在目镜中的位置，调好后不要动
（18）视场光栏视场光栏装在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。
可以旋转滚花套圈来调节视场大小
（19）孔径光栏孔径光栏装在照明反光镜座上面，刻有0~5分划线，它为孔径大小之毫米值。
调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。
4.2金相显微镜的使用方法、注意事项
4.2.1操作使用说明
（1）光亮度调节钮的操作;在开启电源之前，应把光亮度调节钮置于最低位置，以避免大电流冲击照明灯泡，在开启电源后，再慢慢推进光亮度调节钮，直到所需亮度为止。
关机也应将光亮度调节钮退至最低位。
（2）孔径光栏不是用于调节视场亮度，其大小直接影响物镜的像质，所以请根据物镜不同倍率，调节光栏孔径大小以得到最佳像质为止。
（3）在调节过程中，若发现支架自动下滑，可将右手轮内侧滚花紧圈，顺时针方向旋转（可略加力）直到上述现象消失。
（4）调焦：
顺时针方向（右手）旋转粗调手轮，使支架上升，将试样置于载物台中间，先用10倍物镜观察，用粗动手轮大致调出成像后，在用未动手轮来调焦，依次转换至其它高倍物镜时，只需使用微动手轮来调焦。
调换倍率时，转换器上的滚花齿轮式操作者手接触的位置。
（5）双目观察时，应调节好双目观察筒的瞳距，用两只手抓住观察镜筒面板调节目镜筒间距，直到通过两目镜同时看到完整的市场。
瞳距不对易使操作者感到疲劳，并影响物镜齐焦。
用左眼观察，调节粗动手轮，微动手轮，对标本准确调焦，直至图像清晰。
用右眼观察，不须调焦，调节刻度圈使图像清晰。
如果目镜瞳距和刻度圈已调节合适，将得到如下效果;
（1）无论看到任何试样，用粗、微动手轮调焦，左右眼都能同样看到清晰的图像。
（2）观察着头部在确定位置通过两目镜可舒适地看到整个视场。
（3）将转换器上的物镜换到另一个物镜时，仅需要稍微转动微动手轮，便可以获得清晰图像。
如果未得到上述结果，则需要重新调节，也可以左眼为基准按上述方法调整。
为了避免每次使用显微镜都要重复这样调节，应记住各刻度值。
（6）观察结束后应及时关闭电源。
套好显微镜防护罩。
4.2.2使用注意事项
（1）操作时必须特别谨慎，不能有任何剧烈的动作。
不允许自行拆卸光学系统。
（2）严禁用手指直接接触显微镜镜头的玻璃部分和试样磨面。
若镜头上落有灰尘，会影响显微镜的清晰度与分辨率。
此时，应先用洗耳球吹去灰尘和砂粒，再用镜头纸或毛刷轻轻擦拭，以免直接擦试时划花镜头玻璃，影响使用效果。
（3）在旋转粗调（或微调）手轮时动作要慢，碰到某种阻碍时应立即停止操作，报告指导教师查找原因，不得用力强行转动，否则会损坏机件。
（4）观察结束后应及时关闭电源。
五．实验器材
1．XJP-300型倒置式金相显微镜；
2．预先准备好的金相样品。
六．实验内容与步骤
6.1实验内容
1．结合显微镜实体，仔细了解显微镜的结构及各组件如光源、光栏、垂直照明器、目镜和物镜等的作用，熟悉物镜和目镜的标记。
2．通过整个观察金相样品的实际操作过程，学会正确的操作方法，包括物镜和目镜的选择与匹配、调焦、孔径光阑和视场光阑的调节、放大倍数的计算。
3．了解金相显微镜的各参数意义。
6.2实验步骤
1．认真听老师讲解金相显微镜的原理、构造及注意事项；了解各组件的位置、作用。
2．熟悉显微镜的操作规程；正确选用物镜和目镜；学会调节光栏和焦距等。
3．并认真体会整个操作过程，初步领会调焦的技巧。
七．实验报告内容
1．简述实验目的
2.简述物镜标记的含义。
3.简要说明金相显微镜的操作要点及必须注意的事项。
参考文献
1．梁克中主编．《金相原理与应用》．中国铁道出版社．1983年．
2．北京钢铁学院金相教研室．《专业基础实验》．1981年7月．
3．上海工业大学史美堂等，太原重型机械学院柏斯森编．《金相材料及热处理习题集与实验指导书》．上海科学技术出版社1999年3月．
4.李宝银，韩雅静，张勇编，赵振果审．《光学金相技术实验指导书》．天津大学出版社．1995年4月．
5.赵忠主编.《金属材料热处理》.机械工业出版社.1987年.
照相操作:
1.调好被观察的视场，对好焦距
2.点击桌面上的“采集”软件快捷方式
3.打开后出现一个画面
4.在此画面上点击“采集标准视频”后确定
5.点击“格式”，在下拉菜单中选择一种格式
6.点击“采集图片文件”
7.在桌面上打开“采集的图片”文件夹，找到采集的照片，重命名后保存。
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