1、1附件五合肥工业大学材料科学与工程学院 材料物理专业（2006 版）材料物理基础实验指导书材料物理系2006 年 12 月2实验一 金相显微镜的结构与使用一、实验目的1. 了解金相显微镜的结构；2. 掌握金相显微镜的使用方法。二、原理概述（一）金相显微镜的结构光学金相显微镜的结构一般包括放大系数、光路系统和机械系统三部分，其中放大系统是显微镜的关键部分。1. 放大系统（1）显微镜的放大成像原理 显微镜放大基本原理如图 1-1 所示。图 1-1 显微镜的放大成像原理由图可见，显微镜的放大作用由物镜和目镜共同完成。物体 AB 位于物镜的焦点 F1以外，经物镜放大而成为倒立的实像 A1B1，这一实像
2、恰巧落在目镜的焦点 F2以内，最后由目镜再次放大为一虚像 A2B2，人们在观察组织时所见到的像，就是经物镜、目镜两次放大，在距人眼约 250mm 明视距离处形成的虚像。由图 1-1 可知：物镜的放大倍数 M 物 = AB1目镜的放大倍数 M 目 = 12将两式相乘： MAB21目物说明显微镜的总放大们数 M 等于物镜放大倍数和目镜放大倍数的乘积。目前普通光学金相显微镜最高有效放大倍数为 16002000 倍。另外，参照图 1-1，如果忽略 AB 与 F1、A 1B1与 F2间距，依相似三角形定理可求出：物物 fO3式中， 为光学镜筒长度： 物 为物镜焦距。f因光学镜筒长度为定值，可见，物镜放大
3、倍数越高，物镜的焦距越短，物镜离物体越近。（1）透镜象差 透镜在成象过程中，由于受到本身物理条件的限制，会使影像变形和模糊不清。这种象的缺陷称为象差。在金相显微镜的物镜、目镜以及光路系统设计制造中，虽将象差尽量减少到很小的范围，但依然存在。象差有多种，其中对成象质量影响最大的是球面象差、色象差和象域弯曲三种。1) 球面象差 由于透镜表面为球面，其中心与边缘厚度不同，因而来自一点的单色光经过透镜折射后，靠近中心部分的光线偏折角度小，在离透，镜较远的位置聚焦；而靠近边缘处的光线偏折角度大，在离透镜较近的位置聚焦，因而必然形成沿光轴分布的一系列的象，使成象模糊不清，这种现象称为球面象差。如图 1-2
4、 所示。图 1-2 球面象差示意图球面象差主要靠用凸透镜和凹透镜所组成的透镜组来减小缩小透镜成象范围，也可以减小球面象差的影响。2) 色象差 但象差与光波波长有着密切关系。当白色光中不同波长的光线通过透镜寸，因其折射角度干；同而引起象差。波长愈短，折射率愈大，其焦点愈近；波长愈长，折射率愈小，则焦点愈远，因而不同波长的光线，不能同时在一点聚焦，致使影像模糊，或另外，通过加光栏的办法在视场边缘上见到彩色环带，这种现象称为色象差。如图 1-3 所示。图 1-3 色象差示意图色象差同样可以靠透镜组来减小影响。在光路中加上滤光片，使白色光变成单色光也能有效地减小色象差。3) 象域弯曲 垂直于光轴的平面
5、，通过透镜所形成的象，不是平面而是凹形的弯曲象面，这种现象叫象域弯曲。如图 1-4 所示。象域弯曲是由于各种象差综合作用的结果。一般物镜都或多或少地存在着象域弯曲，只有校正极佳的物镜才能达到趋近平坦的象域。图 1-4 象域弯曲示意图4(3) 物镜 显微镜观察所见到的象是经物镜和目镜两次放大后所得到的虚象，其中目镜仅起到将物镜放大的实象再放大的作用。因此，显微镜的成像质量如何，关键在物镜。1) 物镜的种类 按象差校正分类，常用物镜的种类如表 1-l 所示。其中消色差物镜结构简单、价格低廉，象差已基本上予以校正，故普通小型金相显微镜多采用这种物镜。另外，按物体表面与物镜间的介质分，有介质为空气的干
6、系物镜和介质为油的油系物镜两类，按放大倍数分，还可分为低倍、中倍和高倍，无论哪种物镜，都是由多片透镜组合而成的。表 1-1 几种常用物镜对象域中心的校正物镜名称 标志色象差 球面象差对视场边缘的校正消色差物镜 无标志 红绿两波区 黄绿两波区 未校正复消色差物镜 APO 可见光全波区 绿紫两波区 未校正平面消色差物镜 PL 或 Plan 红绿两波区 黄绿两波区 已校正图 1-5 筒长 160mm 的显微镜 图 1-6 物镜象距无穷远的显微镜2）物镜上的标志 按国际标准规定，物镜的放大倍数和数值孔径，标在镜筒中央清晰位置，并以斜线分开。例如 45/0.63、90X/1.30 等。表示镜筒长度的字样
7、或符号以及有无盖玻片的符号，标在放大倍数和数值孔径的下方，并用斜线分开。例如 160/-、/0 等。表示干系或油系的字样，可标在放大倍数和数值孔径的上方或其它合适位置。3）镜筒长度 图 1-1 中光学镜筒长度 是指物镜后焦点 与目镜焦点 F2之间的距离。因1为该值与显微镜的放大倍数直接相关，在设计时已经确定，为确保该值的准确，物镜、目镜的焦距以及机械镜筒长度都有严格的公差范围（参考国际标准 ISO/TC172/SC5、N28） 。5根据物镜象距的不同，又将显微镜分为两种，一种为物镜象距 150mm，机械镜筒长 160mm 的显微镜，如图 1-5 所示；另一种为物镜象距无穷远，镜筒内装有透镜的显
8、微镜，如图 1-6 所示。4）盖玻片 盖玻片是置于被测物体与物镜之间的无色透明玻璃薄片，按国际标准（ISO/TC172/SC5，N15）规定盖玻片分矩形和圆形两种，矩形（A 型）为长 22、32、50mm，宽22mm；圆形（B 形）为直径 18mm，二者厚均为 0.17mm。用不用盖玻片与物镜成象位置有关，设计时已经考虑，如物镜上标有 160/0.17 时，说明只能使用 0.17mm 厚的盖玻片或者不用；标有160/-时说明不用均可，标有 160/0 时说明不用。金相显微镜一般不用，用盖玻片的往往指生物显微镜。5）数值孔径（numerical aperture 以符号 N.A.表示） 表征物镜
9、的集光能力，其值大小取决于进入物镜的光线锥所张开的角度、即孔径角的大小sin.AN式中 为试样与物镜间介质的折射率，空气介质 ，松柏油介质 ； 为孔径角的半角。151.n如图 1-7 所示，数值孔径 N.A.值的大小标志着物镜人辨率的高低、干系物镜因 而 总小sin于 1，故 N.A.1。6）物镜的分辨率 显微镜的分辨率主要取决于物镜。用两个不同的概念与放大倍数（又称放大率）不同，可以作这们一个实验：用两个不同的物镜在同样放大倍数下观察同一细微组织，能够得到两种不同的效果；一个可以清楚地分辨出组织中相距很近的两个点；另一个只能看到这两个点连在一起的模糊轮廓。如图 1-8 所示，显然前一个物镜的
10、分辨率高，而后一个物镜的分辨率低。所以说，物镜的分辨率可以用物镜所能清楚分辨出的相邻两点间最小距离 d 来表示， d 与数值孔径的关系如下： .2AN式中 为入射光的波长；N.A.为物镜的数值孔径（无量纲量） 。图 1-8 物镜的分辨率可见，分辨率与入射光的波长成正比， 愈短分辨率愈高；与数值孔径成反比，物镜的数值孔径愈大分辨率愈高。7）有效放大倍数 能否看清组织的细节，除与物镜的分辨率有关外，还与人眼实际分辨率有关。如物镜分辨率很高，形成清晰的实像，可是与之配用的目镜倍数过低，至使观察者难以看清。此时称“放大不足” ，即未能充分发挥物镜的分辨率。但是，误认为选用的目镜倍数愈高，即总放大倍数愈
11、大看得清晰。这也是不妥当的，实践证明，超过一定界限，放得愈大映像反而愈模糊，图 1-7 孔径角图 1-7 孔径角6此时称“虚伪放大” 。物镜的数值孔径决定了显微镜的有效放大倍数。所谓有效放大倍数，是指物镜分辨清晰的 d距离，被人眼也同样分辨清晰所必须放大的倍数，用 M 观察 表示。.2.2ANlldlM式中 l 为人眼的分辨率，在 250mm 处正常人眼分辨率为 0.150.30mm。若取 （绿光波长）代入上式，则m1057M 观察（min） .50.105.7ANM 观察（max） .3.2结果说明在 5001000N.A.范围内的放大倍数均称有效放大倍数。小于 500N.A.时，由于受目镜
12、放大倍数不足的限制，未有充分发挥物镜的分辨率。大于 1000N.A.时，可能会出现虚伪放大现象。然而，据报导，随着科学的发展，光学零件的设计与制造日趋完善与精良，照明方式不断改进，有些显微镜的有效放大倍数最大可达 2200N.A.。这说明，上述有效放大倍数范围，并非严格界限。了解有效放大倍数范围，对考虑物镜和目镜的正确选择十分重要，例如 25 倍的物镜，N.A.=0.4，其有效放大倍数应在 500(0.41000(0.4)倍，即 200400 倍范围内，因此，应选择 8倍或 16 倍的目镜与该物镜配合使用。（4）目镜 常用的目镜按其结构可分为五种。图 1-9 负型目镜图 1-10 正型目镜1）
13、负型目镜 负型目镜以福根目镜为代表，如图 1-9 所示。福根目镜是由两片单一的平凸透镜并在中间国一光阑组成。接近眼睛的透镜称目透镜，起放大作用；另一透镜称场透镜，能使映像亮度均匀。中间的光阑可以遮挡无用光，提高映像清晰度。福根目镜并未对透镜象差加以校正，故只适于和低倍或中倍消色差物镜配合使用。72)正型目镜 正型目镜以雷斯登目镜为代表，如图 1-10 所示。雷斯登目镜也是由两片凸透镜组成，所不同的是光阑在场透镜的外面。这种目镜有良好的象域弯曲校正，球面象差也比较小，但色象差比福根目镜严重。另外，在相同放大倍数下，正型目镜的观察视场比负型目镜略小。3) 补偿目镜 补偿目镜是一种特制的目镜，结构较
14、上述两种都复杂。与复消色差物镜配合使用，可以补偿校正残余色差，得到全面清晰的影像，但不宜与普通消色差物镜配合使用。4) 摄影目镜 摄影目镜专用于金相摄影，不能用于观察。由于对透镜的球面象差、象域弯曲均有良好的校正，与物镜配合，可在投影屏上形成平坦、清晰的实象。凡带有摄影装置的显微镜均配有摄影目镜。5) 测微目镜 测微目镜是为满足组织测量的需求而设制的。内装有目镜测微器，为看清目镜中标尺刻度可借助螺旋调节装置移动日透镜的位置。如图 1-11 所示。图 1-11 测微目镜测微目镜与不同放大倍数的物镜配合使用时测微器的格值是不同的。确定格值，需要借助物镜测微器(即 1mm 距离被等分 100 格的标
15、尺)确定方法如下：首先利用测微目镜上的螺旋装置将视场中目镜测微器的刻度调至最清晰状态。然后将物镜测微器作为试样，成像于视场中，这样，视场中可同时看到两个标尺，如图 1-12 所示。仔细将物镜测微器的 n 个格与目镜测微器的 m 个格对齐，已知物镜测微器的 1 格为 0.01mm，则目镜测微器在此具体情况下格值 l 为：mmnl01.例如图 1-12 中的标尺，目镜测微器（黑格）35 格与物镜测微器（白格）22 格刚好对齐，故m63.35.2l8图 1-12 视场中两个标尺求出 l 值，当知道被测距离的格数时，就不难算出被测距离的尺寸了。6） 目镜上的标志 普通目镜上只标有放大倍数，如 7、10
16、、12.5等。补偿目镜上还标有一个“K”字，如 K10、K30等。图 1-13 金相显微镜光路示意图（a） 倒立式， （b）直立式2. 光路系统小型金相显微镜，按光程设计可分为直立式和倒立式两种类型，凡试样磨面向上、物镜向下9的为直立式，而试样磨面向下，物镜向上的为倒立式，如图 1-13 所示。以倒立式为例，光源发出的光，经过透镜组投射到反射镜上，反射镜将水平走向的光变成垂直走向，自下而上穿过平面玻璃和物镜，投射到试样磨面上；反射进入物镜光又自上而下照到平面玻璃上，反射后的水平走向光束进入棱镜，通过折射、反射后进入目镜。(1)光源 金相显微镜和生物显微镜不同，必须有光源装置。作为光源的有低压钨
17、丝灯光泡、氙灯、碳弧灯和卤素灯等。目前，小型金相显微镜用得最多的是 68V、1530W 的低压钨丝灯泡。为使发光点集中，钨丝制成小螺旋状。(2) 光源照明方式 光源照明方式取决于光路设计，一般采用临界照明和科勒照明两种。所谓临界照明方式即光源被成象于物平面上，虽然可以得到最高的亮度，但对光源本身亮度的均匀性要求很高。而科勒照明方式即光源被成象于物镜的后焦面(大体在物镜支承面位置)，由物镜射出的是平行光，即可以使物平面得到充分照明，又减少了光源本身亮度不均匀的影响，因此目前应用较多。(3) 垂直照明器 垂直照明器是光学金相显微镜必不可少的装置，其作用足使光路垂直换向，如图 1-14图 1-14
18、垂直照明系统两种垂直照明器各有优缺点。用平面玻璃时，由于光线充满了物镜后透镜使影像清晰、平坦，但光线损失很大(用透射光时的反射部分和用反射光寸的透射部分均损失掉，实际上只用了大约1/4 部分)。改用棱镜可以弥补这一缺点，但影像质量较差，多用于低倍观察。(4) 孔径光阑 孔径光阑位于靠近光源处，用来调节入射光束的粗细，以便改善影像质量。在进行金相观察和摄影时，子 L 径光阑得过大或过小都会影响影像的质量。过大，会使球面象差增加，镜筒内反射光和炫光也增加，影像叠映了一层白光，显著降低影像衬度，组织变得模糊不清。过小，进人物镜的光束太细减少了物镜的孔径角，使物镜的鉴别率降低，无法分清微细组织。同时还
19、会产生光的干涉现象，导致影像出现浮雕和叠影而不清晰。因此孔径光阑张开的大小应根据金相组织特征和物镜放火倍数随时调整达到最佳状态。(5) 滤光片 作为金相显微镜附件，常备有黄、绿、蓝色滤光片。合理选用滤光片可以减少物镜的色象差，提高影像清晰度。因为各种物镜的象差，在绿色波区均已校正过，绿色义能给人以舒适感，所以最常用的是绿色滤光片。(6) 视场光阑 视场光阑的作用与孔径光阑不同，其大小并不影响物镜的鉴别率，只改变视场的大小。一般应将视场光阑调至全视场刚刚露出时，这样，在观察到整个视场的前提下最大限度地减少镜筒内部的反射光和炫光，以提高影像质量。10(7) 影像照明方式 金相显微镜常用的影像照明方
20、式有两种，即明场照明和暗场照明。1) 明场照明 明场照明方式是金相分析中最常用的。光从物镜内射出，垂直或接近垂直地投向物平面。若照到平滑区域，光线必将被反射进人物镜，形成影像中的白亮区。若照到凹凸不平区域，绝大部分光线将产生漫射而不能进入物镜，形成影像中的黑暗区。图 1-15a 所示光路即明场照明方式。2) 暗场照明方式 在鉴别非金属夹杂物透明度时，往往要用暗场照明方式。光源发出的光，经过透镜变成束平行光。又通过环形遮光板，因中心部分光线被遮挡而成为管状光束。经 45 反射镜环反射后将沿物镜周围投射到暗场罩前缘内侧反射镜上。反射光以很大的倾斜角射向物平面，如照到平滑区域，必将以很大的倾斜角反射
21、，故难以进人物镜，形成影像中的黑暗区。只有照到凹凸不平区域的光线，反射后才有可能进入物镜，形成影像中的白亮区，因此与明场照明方式影像效果相反，图 1-15b 所示光路即暗场照明方式。3. 机械系统机械系统主要包括载物台、粗调机构、微调机构和物镜转换器。（1）载物台 载物台是用来支承被观察物体的工作台，大多数显微镜的载物台都能在一定范围内平移，以改变被观察的部位。（2）粗调机构 粗调机构是在较大行程范围内，用来改变物体和物镜前透镜间轴向距离的装置，一般采用齿轮齿条传动装置。（3）微调机构 微调机构是在一个很小的行程范围内（约 2mm） ，调节物体和物镜前透镜间轴向距离的装置。一般采用微调齿轮传动装置如图 1-16 所示。图 1-16 微调齿轮传动装置（4）物镜转换器 物镜转换器是为了便于更换物镜而设置的，转换器上同时装个物镜，可任意将所需物镜转至并固定在显微镜光轴上。
