金相显微镜的原理.docx

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金相显微镜的原理

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。

在设计显微镜时，让物镜放大后形成的实像

位于目镜的焦距f目之内，并使最终的倒立虚像

在距眼睛250mm处成像，这时观察者看得最清晰。

透镜成像规律是依据近轴光线得出的结论。

近轴光线是指与光轴接近平行（即夹角很小）的光线。

由于物理条件的限制，实际光学系统的成像与近轴光线成像不同，两者存在偏离，这种相对于近轴成像的偏离就叫做像差。

像差的产生降低了光学仪器的精确性。

按像差产生原因可分为两类：

一类是单色光成像时的像差，叫做单色像差。

如球差、慧差、像散、像场弯曲和畸变均属单色像差；另一类是多色光成像时，由于介质折射率随光的波长不同而引起的像差，叫做色差。

色差又可分为位置色差和放大率色差。

透镜成像的主要缺陷就是球面差和色差（波长差）。

球面差是指由于球面透镜的中心部分和边缘部分的厚度不同，造成不同折射现象，致使来自于试样表面同一点上的光线经折射后不能聚集于一点（图1-3），因此使映像模糊不清。

球面像差的程度与光通过透镜的面积有关。

光圈放得越大，光线通过透镜的面积越大，球面像差就越严重；反之，缩小光圈，限制边缘光线射入，使用通过透镜中心部分的光线，可减小球面像差。

但光圈太小，也会影响成像的清晰度。

色差的产生是由于白光中各种不同波长的光线在穿过透镜时折射率不同，其中紫色光线的波长最短，折射率最大，在距透镜最近处成像；红色光线的波长最长，折射率最小，在距透镜最远处成像；其余的黄、绿、蓝等光线则在它们之间成像。

这些光线所成的像不能集中于一点，而呈现带有彩色边缘的光环。

色差的存在也会降低透镜成像的清晰度，也应予以校正。

通常采用单色光源（或加滤光片），也可使用复合透镜。

如图1-3所示。

红

（a）球面像差（b）色差

图1-3透镜产生像差的示意图

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。

同时校正了轴上点球差和近轴点慧差，这种物镜不能消除二级光谱，只校正黄、绿波区的球差、色差，未消除剩余色差和其他波区的球差、色差，并且像场弯曲仍很大，也就是说，只能得到视场中间范围清晰的像。

使用时宜以黄绿光作照明光源，或在光程中插入黄绿色滤光片。

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。

将红、蓝、黄光校正了轴向色差，消除了二级光谱，因此像质很好，但镜片多、加工和装校都较困难。

色差的校正在可见光的全部波区。

若加入蓝色或黄色滤光片效果更佳。

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。

该物镜对球差和色差的校正仍限于黄绿波区，且还存在剩余色差。

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。

有两种表示方法，一种是直接在物镜上刻度出如8×、10×、45×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M物=L/f物，L是光学镜筒长度，L值在设计时是很准确的，但实际应用时，因不好量度，常用机械镜筒长度。

机械镜筒长度是指从显微镜目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。

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。

根据理论推导得出：

NA=nsinθ

式中n——物镜与观察物之间的介质折射率（空气为1，松柏油为1.515）

θ——物镜的孔径半角，如图1-4所示。

增大物镜的数值孔径有两个途径：

（1）增大透镜的直径或减小物镜的焦距即设计短焦距的物镜，以增大孔径半角θ。

但此法会导致像差增加及制造困难，一般不采用。

实际上

sinθ的最大值只能达到0.95。

（2）

增大物镜与观察物之间的折射率n。

干系物镜是以空气为介质的，折射率n=1，一般用于低倍物镜。

油系物镜常以松柏油（n=1.515，NA=1.4）、α-壹代溴萘（n=1.658，NA=1.60）为介质，用于高倍物镜。

油物镜的数值孔径此时可达1.30~1.40，其放大倍数可达100~140倍。

但干系物镜不能随便用油作为介质。

图1-4物镜的聚光示意图

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。

如1-5所示。

根据光学衍射理论可知，显微组织中的一点经物镜放大成像后并不能获得一个真正的点像，而是具有相应尺寸的以白色圆斑为中心的许多个同心衍射环组成的。

中心光斑的强度最大，而衍射环的光强度随着环直径增大而逐渐减弱。

试样上若有两个点，如果两点之间的距离小于d，则两点放大成像后的衍射环中心部分也相互重迭而不能清晰分辨。

只有当两点间距大于或等于

图1-5鉴别率与衍射环

d才能清晰地分辨出来。

d即为物镜的分辨能力（鉴别率）。

两物点间最小距离d愈小，物镜的分辨能力愈高。

d=λ/2NA

式中λ——入射光的波长；

NA——物镜的数值孔径。

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。

人眼在明视距离（250mm）处的分辨距离为0.15~0.30mm，因此，显微镜应将物镜能分辨的最小距离d放大到0.15~0.30mm时方使其被人眼所分辨。

若以Ma表示显微镜的有效放大倍数，则

dMa=0.15~0.30mm

Ma=（0.3~0.6）NA/λ

由此可知，显微镜的有效放大倍数是由物镜的数值孔径和入射光的波长决定的。

若用黄绿色光（λ≈5.5×10-1mm）观察，则

Ma=（500~1000）NA

例如：

选用NA=0.65的40倍物镜，若入射光波长λ≈5.5×10-1mm时，则

Ma=（500~1000）NA=325~650倍

表1-2物镜的最小数值孔径系列、参数、色圈及标志

分类，

色圈

放大倍数

1.6

2.5

6.3

100

代号

消色差

物镜

数

值

孔

径

—

0.10

—

0.25

—

0.40

0.65

—

0.85

—

1.25

—

平面消色

差物镜

0.04

0.07

0.10

0.15

0.25

0.32

0.40

0.65

0.75

0.85

0.95

1.25

平面半复

消色差物镜

—

0.20

0.30

0.40

0.60

0.75

—

0.90

—

1.30

平面复消

色差物镜

—

0.16

0.20

0.30

0.40

0.65

0.80

—

0.95

—

1.32

色圈

黑

蓝

紫

绿

黄

红

白

因此，应选择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。

景深h为:

h=n/（NA）M（0.15~0.30）

由此可见，物镜的垂直鉴别率与数值孔径、放大倍数成反比，要提高景深，最好选用数值孔径小的物镜或减小孔径光阑以缩小物镜的工作孔径，但这样就会降低物镜的分辨能力.。

所以要调和这一矛盾只能视具体情况而定。

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。

某些目镜（如补偿目镜）除了有放大作用外，还能将物镜造像过程中产生的残余像差予以校正。

目镜的构造比物镜简单得多。

因为通过目镜的光束接近平行状态，所以球面像差及纵向（轴向）色差不严重。

设计时只考虑横向色差（放大色差）。

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

12.5

最小视场

12.5

6.3

12.5

6.3

直径（mm）

代号

—

3.2.2显微镜的放大倍数及其选择

显微镜包括两组透镜——物镜和目镜。

显微镜的的放大倍数主要通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达100倍，目镜的放大倍数可达25倍。

物镜的放大倍数可由下式得出：

M物=L/F1

式中：

L——显微镜的光学筒长度（即物镜后焦点与目镜前焦点的距离）；

F1——物镜焦距。

而A′B′再经目镜放大后的放大倍数则可由以下公式计算：

M目=D/F2

式中：

D——人眼明视距离（250mm）；

F2——目镜焦距。

显微镜的总放大倍数应为物镜与目镜放大倍数的乘积，即：

M总=M物×M目=250L/F1*F2

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以修正，应为：

M=M物×M目×C

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度量出来。

放大倍数用符号“×”表示，例如物镜的放大倍数为25×，目镜的放大倍数为10×，则显微镜的放大倍数为25×10=250×。

放大倍数均分别标注在物镜与目镜的镜筒上。

在使用显微镜观察物体时，应根据其组织的粗细情况，选择适当的放大倍数。

以细节部分观察得清晰为准，盲目追求过高的放大倍数，会带来许多缺陷。

因为放大倍数与透镜的焦距有关，放大倍数越大，焦距必须越小，同时所看到物体的区域也越小。

需要注意的是有效放大倍数问题。

物镜的数值孔径决定了显微镜有效放大倍数。

有效放大倍数，就是人眼能够分辨的“人眼鉴别率”d′与物镜的鉴别率d间的比值，即不使人眼看到假像的最小放大倍数：

M=d′/d=2d′NA/λ

人眼鉴别率d′一般在0.15~0.30mm之间，若分别用d′=0.15mm和d′=0.30mm代入上式：

Mmin=20.15（NA）/550010-7=500（NA）

Mmax=20.30（NA）/550010-7=1000（NA）

Mmin~Mmax之间的放大倍数范围就是显微镜的有效放大倍数。

对于显微照相时的有效放大倍数的估算，则应将人眼的分辨能力d′用底片的分辨能力

d〞代替。

一般底片的分辨能力d〞约为0.030mm左右，所以照相时的有效放大倍数M′为：

M′=d〞/d=2d〞（NA）/λ=2×0.030（NA）/5500×10-7=120（NA）

如果考虑到由底片印出相片，人眼观察相片时的分辨能力为0.15mm，则M′应改为M〞：

M〞=2*0.15（N*A）/550010-7=500（NA）

所以照相时的有效放大倍数在M′~M〞之间，它比观察时的有效放大倍数小。

这就是说，如果用45×/0.63的物镜照相，那么它的最大有效放大倍数为500×0.63=300倍左右，所选用的照相目镜应为300/45=6~7倍，放大倍数应在300倍以下。

这比观察的最大有效放大倍数（630倍）要小。

3.2.3显微镜的鉴别能力（鉴别力）

显微镜的鉴别能力是显微镜最重要的特性，它是指显微镜对于试样上最细微部分所能获得清晰映象的能力，通常用可以辨别的物体上两点间的最小距离d来表示。

被分辨的距离越短，表示显微镜的鉴别能力越高。

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。

（a）干物镜（b）油物镜

图1-7不同介质对物镜聚光能力的比较

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，将教学实验中常用XJB—1型的光学系统作简要介绍。

本显微镜主要观察的是不透明物体，用以研究材料的金相组织。

由于被观察的试样大小不一，因此，将载物台位于镜架上方，以利于试样复置并能使试样表面与仪器光轴的垂直。

同时，被观察物体是不透明的材料表面，所以必须利用电源照明才能使用。

显微镜的光路比放大镜复杂（图1-8），光线由灯泡1发出，经聚光镜组2会聚，由反光镜子8将光线均匀半聚集在孔径光栏9上，经过聚光镜组3，再将光线透过半反射镜4聚集在物镜组6的后焦面，这样就使物体得到库勒照明。

由物体表面反射回来的光线复经过物镜组6和辅助透镜5到半反射镜4而折转向辅助透镜11，以及棱镜12与棱镜13等一系列光学系统造成倒立放大的实像，由目镜再度放大，这就是观察者从目镜视场里所看到的物体表面放大的像。

1．

灯泡

2．聚光镜组

3．聚光镜组

4．半反光镜

5．辅助透镜

6．物镜组

7．试样

8．反光镜

9．孔径光栏

10.视场光栏

11．辅助透镜

12．棱镜

13．棱镜

14．场镜

15．目镜

图1—8XJB—1型金相显微镜的光学系统

4.1.2仪器的机械结构

本显微镜的机械结

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