金相显微镜的原理
发布时间：2008-12-12 来源：网络 阅读次数：3271 分享到：
金相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A1B1。A1B1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A3B3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。
<!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->
<!--[endif]-->式中：f物——接物镜焦距；
L——F1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
<!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->
<!--[endif]-->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
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。A3B3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
<!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->
<!--[endif]-->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：
以上的象差对显微镜成象影响最大的是球面象差、象域弯曲和多色象差。以下予以简介：
(1) 球面象差
产生的原因是由于球面单片透镜的中心与边缘厚薄不同，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
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。
表1-1 物镜的几种类型
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物镜种类
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对象域中心的校正
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对视场边缘的校正
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色 差
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球差
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||
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消色差物镜
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校正红、绿两波区
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校正黄、绿两波区
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未校正
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平面消色差物镜
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校正红、绿两波区
|
校正黄、绿两波区
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已校正
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|
复消色差物镜
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校正红、绿、紫三波区
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校正绿、紫两波区
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未校正
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|
平面复消色差物镜
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校正全波区
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校正绿、紫两波区
|
已校正
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(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 <!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->，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：
<!--[endif]-->，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：<!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->
<!--[endif]-->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。
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
Apochromatic
Planachromatic
Planapochromatic
Pol
Phaco
Oil或Oel、Hl。Ol
|
表1-3 倍率色环(物镜外壳有1mm宽的槽，槽内涂漆)
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倍率
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4
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10
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25
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40
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63
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100
|
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颜色
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蓝
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紫
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绿
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黄
|
红
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白
|
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。[JF:Page]
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
<!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->
<!--[endif]-->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：
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：
<!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->
<!--[endif]-->当λ选平均波长为0.00055mm时，e为0.15mm时，最小放大倍数为：
<!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->
<!--[endif]-->当λ选平均波长为0.00055mm时，e为0.30mm时，最大放大倍数为：
<!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->
<!--[endif]-->M最小和M最大之间的范围称为“有效放大倍数”。
<!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->
<!--[endif]-->在选择物镜和目镜配合时，如果放大倍数不足500N.A，则表示选用不当，即孔径为N.A的物镜所能区分的细节，因目镜选用较低而不能被人眼识别；反之如超过1000N.A，叫做“虚伪放大”，在这种情况下，并不能看到在有效放大倍数内所不能分辨的细节。
5．金相显微镜的构造与使用
金相显微镜的种类、型号很多，按功能可分为：教学型、生产型、科研型。按结构型式分为：台式、立式、卧式。此外还有紫外、红外、高温、低温、偏光、相衬、干涉等各种特殊用途的金相显微镜。
任何一种金相显微镜均主要由光学系统、照明系统、机械系统、附件装置(包括摄影或其它如显微硬度等装置)组成。
(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需要，将教学实验中常用的国产台式和立式金相显微镜的光光系统作简要介绍。
a.台式金相显微镜(以国产4×为例)：4×型金相显微镜光学系统按倒置式光程设计，它的照明系统属于科勒照明(如图1-15、16)。
由灯泡发出的一束光线，经过透镜组、反光镜会聚于孔径光阑，随后经过聚光镜，再将光线聚焦在物镜后焦面，最后光线投射到试样上。从试样磨面反射回来的光线复经物镜、辅助透镜、半反射镜及棱镜造成一个放大倒立的实像，由目镜再次放大在明视距离处形成虚象。
结合教学实验中将使用的仪器，以下介绍XJZ-1正置金相显微镜的光学原理图。如图1-17所示。光源(1)经聚光镜前组(2)，滤色片(3)后在孔径光阑(4)处成象。聚光镜(5)及(8)将孔径光阑成象在物镜(11)的后焦面附近，经物镜后，以近似平行光经均匀照明物面(O)。视场光阑(6)被聚光镜(8)，半透反射镜(9)，辅助物镜(12)，物镜(11)成象在物平面处。由物面衍射成象光线被物镜接收，经辅助物镜(12)和(15)及转向棱镜(17)将物体成一放大实角在目镜(18)的闪焦面O′处，以便于人眼通过目镜进行观察。
当棱镜(17)移出光路时，由的面衍射的成象光线经物镜(11)，辅助物镜(12)和(15)后进入120摄影装置。由摄影目镜(20)及半反射镜(21)将物象转成在O″′处，操作者可通过取景目镜(22)对所摄对象准焦和取景。快门开启时，物象便成象在摄影胶片O″上。
在需要使用偏光的场合，将起偏器(7)推入光路，检偏器(16)插入光路并转动方位，就可进行偏光检查。
如将锥形反光镜(19)推入光路，换下聚光镜(8)，此时经过视场光阑后的平行光束被锥形反射镜及暗场反射镜(13)分成一环形光束，抛物面聚光镜(10)使光束会聚照明物面O。照明光线不再进入物镜，只有衍射光线进入物镜成象，因而可实现暗场照明。
b. 立式金相显微镜：XJL-02型立式金相显微镜的光学系统如图1-18所示。由光源发生的光束，通过聚光镜会聚在孔径光阑上，经滤色片、转向棱镜、视暗场变换滑板、聚光镜、半反射镜、再通过物镜将一束平行光投射到试样上。从试样磨面反射的光线又经过物镜、平面半镀铝反射镜、补偿透镜、五角棱镜成象在目镜的焦平面上。用目镜观察时，即可看出清晰的金相组织。
(2) 照明系统
照明系统一般包括光源、照明器、光阑、滤色片等。[JF:Page]
a. 光源：光源应具有足够的发光强度且要求发光均匀，发热程度要低并易于对亮度、位置进行调节。色温希望高和光谱连续性好。
光源一般有低压钨丝灯、卤钨灯、氙灯、超高压汞灯和碳弧灯几种。光源的照明方式有科勒照明和临界照明之别。
b. 照明器：金相显微镜采用反射光照明，光源位于镜体侧面与主光轴正交。因此，光线需转向90°，这种转变光线的装置叫做垂直照明器。利用照明进行照明的方式分为以下几种。
平面玻璃反射照明。这种照明方法的特点是光线均匀地直射在试样表面，被浸蚀后的凹凸处无阴影产生，得到清晰平坦的图象。采用这照明方式，能真实地表示出各组成相，但缺乏立体感(图1-19)。
棱镜反射照明。这种照明是利用三棱镜作为折光元件，光源经棱镜全反射后，通过物镜光束便斜射到试样表面。这种照明方式与平面镜相比较光线损失极少，镜筒内的炫光较低，图象高密度大、衬度好。但这种照明方式棱镜占去镜筒将近一半的位置，也就是遮去了物镜孔径的一半，从而使物镜的有效数值孔径减小，分辨能力会降低，这种照明方式适合在放大100倍以下使用(图1-20)。
斜照明。光线与镜体光轴是一定角度，使照在试样上的光线是倾斜的。这种照明方式可以提高显微镜的分辨力，并使试样凸起部分产生阴影，从而增幼虫了图象的衬度和立体感。斜射照明可通过调节孔径光阑的平面位移而得到(图1-21)。
暗场照明。暗场照明的光学行程如图1-22所示。来自光源的平行光束，被环形光阑所阻，而形成环形光束，经过平面玻璃转向，再经过物镜外围的抛物面反射镜，以大的倾斜角投射到试样表面，这时试样上平坦的部分所反射的光将不会进入物镜而呈暗色，对于凹陷部分却能将光线反射进入物镜。这一照明方式的特点是：使有效数值孔径增加，提高衬度，特别是能观察非金属夹杂的透明度及真实色彩。
(3) 光阑
光阑分为孔径光阑和视场光阑。
孔径光阑。孔径光阑的调节可以改变成象光束的大小和控制进入光学系统的光通亮。
缩小孔径光阑，孔径角变小，这时光束只通过物镜的中心部分，利于消除物镜的单色象差，图象清晰，能提高景深，提高相的衬度。但孔径角小，会降低物镜的分辨能力。适当的增大孔径光阑，会增大亮度和提高鉴别能力。
为了充分发挥物镜的分辨能力，又能兼顾景深，获得良好衬度，孔径光阑调到使入射光束刚好充满或略小于物镜孔径为宜。各种物镜的孔径不同，因此更换物镜时，孔径光阑应作相应调节，否则图象不清晰。
视场光阑。视场光阑的大小对显微镜的分辨能力没有影响，适当缩小可减少筒内的杂散光，增加图相衬度。有时为了观察某一范围的显微组织，可将视场光阑缩小至这个区域，或获得良好效果。照相或观察时可将视场光阑调节到视场以外一点即可。
(4) 滤色片
滤色片的作用是吸收光源发生的白色光中波长不合需要的光线，只让一定波长的光线通过。显微镜使用滤色片目的如下：
a. 增加黑白金相照片上组织的衬度.
b. 有助于鉴别经彩色着色后的显微组织细节。
c. 利用黄、绿滤色片与消色差物镜配合使用，可消除残余色差。
d. 使用蓝滤色片，由于其波长较短，可以提高物镜的鉴别能力。
e. 在长时间显微分析观察时，使用黄滤色片，可保护观察者眼睛，并有利于提高视敏度。
6．金相显微镜的保养与维护
金相显微镜是一种精密光学仪器，正确的使用、维护和保养，有助于保证金相分析的质量和延长仪器的使用寿命。
(1) 显微镜应放置于干燥、少尘、无振动、无腐蚀气氛的工作室内。
(2) 物镜、目镜在不使用时，应从仪器上取下装入保护套内放在玻璃干燥器中。显微镜上物镜座和目镜筒上应加上盖罩。
(3) 在工作时，试验样品上残留的油污、水和腐蚀剂必须清除干净。
(4) 油镜头在使用后应立即用棉花擦去油滴，然后再将棉花沾上少许二甲苯擦净，待干燥后再装入镜头盒并置入干燥器中。
(5) 光学元件上有灰尘、油污时，先用专用软毛刷轻刷去灰尘，然后用脱胎换骨脂桂花或白绸布轻轻擦净，擦拭时可浸少许溶剂(溶剂为乙醚、乙醇，比例为7:3)。
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