山东农业大学：机械工程实验教学中心《工程材料学》课程实验指导

工程材料学实验福不山东农业大学机械与电子工程学院

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目录前言金相分析基础知识材料硬度试验基础知识实验一金相显微镜的使用与金相样品的制备实验二碳钢和铸铁的平衡组织和非平衡组织的观察与分析实验三综合实验参考文献附录1数码显微镜及其使用操作规程附录2常见钢铁材料的金相图谱-PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

1 目 录 前 言 金相分析基础知识 材料硬度试验基础知识 实验一 金相显微镜的使用与金相样品的制备 实验二 碳钢和铸铁的平衡组织和非平衡组织的 观察与分析 实验三 综合实验 参考文献 附录 1 数码显微镜及其使用操作规程 附录 2 常见钢铁材料的金相图谱 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

前言本实验指导书是配合理工类非材料专业学生学习《工程材料基础》课程的课内教学实验所编写的。目的是加强学生动手实践能力，加深理解课堂学习的知识，特别是通过开放性的学生自主综合实验，使非材料专业的工科学生也能深刻理解材料的成分-工艺-组织一性能之间的关系，为学生以后在工作研究中解决工程材料方面的相关问题打下良好科学基础，从实验的角度配合实现《工程材料基础》课程的教学目标。从培养理工类非材料专业学生能够合理选材并正确制定零件的加工工艺路线能力的目标出发，以钢铁材料为例，围绕工程材料的成分-工艺-组织-性能之间的关系主线，本实验指导书安排了“金相显微镜的使用与金相样品的制备”（实验一）和“碳钢和铸铁的平衡组织和非平衡组织的观察与分析”（实验二）两个基本实验和一个“综合实验”（实验三）。鉴于非材料专业的同学在材料实验方面缺乏基本知识，在正式实验内容之前安排了“金相分析基础知识”和“材料硬度试验相关知识”两节预备知识。为保证安全正确地完成实验内容，指导书中还节选了部分主要设备的操作规程以及部分钢铁材料的金相图谱，供实验时特别是自主实验时参考。由于编者的水平有限，加之时间要求的紧迫，本实验指导书有不当之处敬请批评指正。编者2005年7月22日2PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

2 前 言 本实验指导书是配合理工类非材料专业学生学习《工程 材料基础》课程的课内教学实验所编写的。目的是加强学生 动手实践能力，加深理解课堂学习的知识，特别是通过开放 性的学生自主综合实验，使非材料专业的工科学生也能深刻 理解材料的成分-工艺-组织-性能之间的关系，为学生以后在 工作研究中解决工程材料方面的相关问题打下良好科学基 础，从实验的角度配合实现《工程材料基础》课程的教学目 标。 从培养理工类非材料专业学生能够合理选材并正确制定 零件的加工工艺路线能力的目标出发，以钢铁材料为例，围 绕工程材料的成分-工艺-组织-性能之间的关系主线，本实验 指导书安排了“金相显微镜的使用与金相样品的制备”（实 验一）和“碳钢和铸铁的平衡组织和非平衡组织的观察与分 析”（实验二）两个基本实验和一个“综合实验”(实验三)。 鉴于非材料专业的同学在材料实验方面缺乏基本知识，在正 式实验内容之前安排了“金相分析基础知识”和“材料硬度 试验相关知识”两节预备知识。为保证安全正确地完成实验 内容，指导书中还节选了部分主要设备的操作规程以及部分 钢铁材料的金相图谱，供实验时特别是自主实验时参考。 由于编者的水平有限，加之时间要求的紧迫，本实验指 导书有不当之处敬请批评指正。 编者 2005 年 7 月 22 日 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

金相显微分析基础知识金相分析在材料研究领域占有十分重要的地位，是研究材料内部组织的主要手段之一。金相显微分析法就是利用金相显微镜来观察为之分析而专门制备的金相样品，通过放大几十倍到上千倍来研究材料组织的方法。现代金相显微分析的主要仪器为：光学显微镜和电子显微镜两大类。这里仅介绍常用的光学金相显微镜及金相样品制备的一些基础知识。（一）光学金相显微镜基础知识一、金相显微镜的构造金相显微镜的种类和型式很多，最常见的有台式、立式和卧式三大类。金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附带有多种功能及摄影装置。目前，已把显微镜与计算机及相关的分析系统相连，能更方便、更快捷地进行金相分析研究工作。1.1光学系统：其主要构件是物镜和目镜，它们主要起放大作用。并获得清晰的图象。物镜的优劣直接影响成象的质量。而目镜是将物镜放大的象再次放大。1.2照明系统：主要包括光源和照明器以及其它主要附件（1）光源的种类：包括白炽灯（钨丝灯）、卤钨灯、碳弧灯、氙灯和水银灯等。常用的是白炽灯和氙灯，一般白炽灯适应于作为中、小型显微镜上的光源使用，电压为6一12伏，功率15一30瓦。而氙灯通过瞬间脉冲高压点燃，一般正常工作电压为18伏，功率为150瓦，适用于特殊功能的观察和摄影之用。一般大型金相显微镜常同时配有两种照明光源，以适应普通观察和特殊情况的观察与摄影之用。（2）光源的照明方式：主要有临界照明和科勒照明。散光照明和平行光照明适应于特殊情况使用。1）临界照明：光源的象聚焦在样品表面上，虽然可得到很高的亮度，但对光源本身亮度的均匀性要求很高。目前很少使用。2）科勒照明：特点是光源的一次象聚焦在孔径光栏上，视场光栏和光源一次象同时聚焦在样品表面上，提供了一个很均匀的照明场，目前广泛使用。3）散光照明：特点是照明效率低，只适应投射型钨丝灯照明。4）平行光：照明的效果较差，主要用于暗场照明，适应于各类光源。（3）光路形式按光路设计的形式，显微镜有直立式和倒立式两种，凡样品磨面向上，物镜向下的为直立式，而样品磨面向下，物镜向上的为倒立式。（4）孔径光栏和视场光栏孔径光栏位于光源附近，用于调节入射光束的粗细，以改变图象的质量。缩小孔径光栏可减少球差和轴外象差，加大衬度，使图象清晰，但会使物镜的分辨率降低。视场光栏位于另一个支架上，调节视场光栏的大小可改变视域的大小，视场光栏愈小，图象衬度愈佳，观察时调至与目镜视域同样大小。（5）滤色片用于吸收白光中不需要的部分，只让一定波长的光线通过，获得优良的图象。一般有黄色、绿色和蓝色等。3PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

3 金相显微分析基础知识 金相分析 在 材 料 研 究 领域占 有 十 分 重 要 的 地 位 ,是 研 究 材料内 部 组织的 主 要 手 段 之 一 。金相显微分析 法 就 是 利 用 金 相 显微镜 来 观 察 为 之 分 析 而 专 门 制 备 的金相样品 ，通 过 放 大几十倍到上千倍来 研 究 材料组织的 方 法 。现 代 金相显微 分析的 主 要 仪 器 为 ：光 学显微镜和 电 子 显 微 镜 两 大 类 。这里仅介绍 常用的 光 学 金相显微镜及金相样品制备的一 些 基础知识 ． （ 一 ）光学 金 相显微 镜 基础知识 一 ． 金相显 微 镜的构造 金相显微镜的 种 类 和 型 式 很 多 ，最 常见的 有 台 式 、立 式 和 卧 式 三 大 类 。金 相显微镜的 构 造 通 常 由 光 学 系 统 、照 明 系 统 和 机 械 系 统 三 大 部 分 组 成 ，有 的 显 微 镜 还 附 带 有 多种功 能 及 摄影装置 。目 前 ，已 把 显微镜与 计算机 及 相 关 的分析 系 统 相 连 ， 能 更 方 便、更快捷 地 进 行 金 相 分 析 研 究 工作。 1. 1 光 学 系 统 ： 其 主 要 构 件 是 物 镜和目镜，它 们 主 要 起 放 大 作用。并 获得清晰 的 图 象 。物 镜 的 优劣直接影响 成 象 的 质 量 。 而 目镜是 将 物 镜 放 大 的 象再次 放 大 。 1. 2 照 明 系 统 ： 主 要 包括光源 和 照明器 以 及 其 它 主 要 附 件 （ 1） 光 源 的 种 类 ： 包 括 白炽灯（ 钨丝灯 ）、卤钨灯 、碳 弧 灯 、氙 灯 和 水 银灯等 。常用的是 白 炽 灯 和 氙 灯 ， 一 般白炽灯适应 于 作 为 中 、 小 型 显微镜 上 的 光 源 使用， 电 压 为 6 — 12 伏 ， 功 率 15— 30 瓦 。 而 氙 灯 通 过 瞬 间 脉冲高压点燃 ， 一 般 正 常工作 电 压 为 18 伏 ， 功 率 为 150 瓦 ， 适 用 于 特 殊 功 能 的 观察和 摄 影 之 用。一 般 大 型 金 相 显微镜常 同 时 配 有 两 种照明光源 ，以 适应普 通观察和特 殊情况 的观察与 摄 影 之 用 。 （ 2） 光 源 的 照 明 方 式 ： 主要有 临 界 照 明 和 科 勒 照 明 。 散 光照明 和 平 行光照明 适 应 于 特 殊情况 使 用 。 1） 临 界 照明：光源 的 象 聚 焦 在 样 品 表 面 上 ， 虽然可 得到很 高 的 亮 度 ， 但 对 光 源 本 身 亮 度 的 均 匀 性要求 很 高 。 目 前 很 少 使用。 2） 科 勒 照明： 特 点 是 光 源 的 一 次 象 聚 焦 在 孔 径 光 栏 上 ， 视 场 光 栏 和 光 源 一 次 象 同 时 聚 焦 在 样 品 表 面 上 ， 提 供 了 一 个 很 均 匀 的 照 明 场 ， 目 前 广 泛 使用。 3） 散 光照明： 特 点 是 照 明 效率低 ， 只适应 投 射 型 钨丝灯 照 明 。 4） 平 行光：照明 的 效果较差 ， 主 要 用 于 暗 场 照 明 ， 适 应 于 各 类 光 源 。 （ 3） 光 路 形 式 按 光 路 设 计 的 形 式 ，显微镜 有 直 立 式 和 倒 立 式 两 种 ，凡 样 品 磨 面 向 上 ，物 镜 向 下 的 为 直 立 式 ， 而 样 品 磨 面 向 下 ， 物 镜 向 上 的 为 倒 立 式 。 （ 4） 孔 径 光 栏 和 视 场 光 栏 孔 径 光 栏 位 于 光源附 近 ， 用 于 调 节 入 射 光 束 的 粗 细 ， 以 改 变 图 象 的 质 量 。 缩小孔径 光 栏可减少球差 和 轴 外 象 差 ，加 大 衬 度 ，使 图 象清晰 ，但 会 使 物 镜 的 分 辨率降低 。视 场 光 栏 位 于 另 一 个 支 架 上 ，调 节 视 场 光 栏 的 大 小可改变视 域 的 大 小 ， 视 场 光 栏愈小 ， 图 象 衬 度 愈 佳 ，观察 时 调 至 与目镜 视 域 同 样 大 小 。 （ 5） 滤色片 用 于 吸 收 白 光 中 不 需 要 的 部 分 ，只 让 一 定 波 长 的 光 线 通 过 ，获得优 良 的 图 象 。 一 般 有 黄 色 、 绿 色 和 蓝 色 等 。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

1.3机械系统主要包括载物台，镜筒、调节螺丝和底座。（1）载物台：用于放置金相样品。（2）镜筒：用于联结物镜、目镜等部件。（3）调节螺丝：有粗调和细调螺丝，用于图象的聚焦调节。（4）底座：起支承镜体的作用。二：光学显微镜的放大成像原理及参数2.1金相显微镜的成像原理显微镜的成象放大部分主要由两组透镜组成。靠近观察物体的透镜叫物镜，而靠近眼晴的透镜叫目镜。通过物镜和目镜的两次放大，就能将物体放大到较高的倍数，见图1，显微镜的放大光学原理图。物体AB置于物镜前，离其焦点略远处，物体的反射光线穿过个放大的实象A1B1，得到了王开射后若此象处于目镜的焦距之内，通过目镜观察到的图象是目镜放大了的虚象A2B2。-A211-BAlF2F1B1D11B27物镜目镜D图1显微镜放大光学原理AB一物体A1B1一物镜放大图象A2B2一目镜放大图象F1一物镜的焦距。F2一目镜的焦距L一为光学镜筒长度（即物镜后焦点与目镜前焦点之间的距离）D一明视距离（人眼的正常明视距离为250mm）2.2显微镜的放大倍数物镜的放大倍数M物=A1B1/AB~L/F1目镜的放大倍数=A2B2/A1B1～D/F2则显微镜的放大倍数为：M总=M物XM目=L/F1XD/F2=LX250/F1XF2式中：L一为光学镜筒长度（即物镜后焦点到目镜前焦点的距离）F1一物镜的焦距。F2一目镜的焦距D一明视距离（人眼的正常明视距离为250mm）即显微镜总的放大倍数等于物镜放大倍数和目镜放大倍数的乘积。一般金相显微镜的放大倍数最高可达1600到2000倍。4PDF文件使用”pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

4 1. 3 机 械 系 统 主 要 包 括 载 物 台 ， 镜 筒 、 调 节 螺 丝 和 底 座 。 （ 1） 载 物台： 用 于 放 置 金相样品。 （ 2） 镜 筒 ： 用 于 联 结 物 镜 、 目 镜 等 部 件 。 （ 3） 调 节 螺 丝 ： 有 粗 调 和 细 调 螺 丝 ， 用 于 图 象 的 聚焦调 节 。 （ 4） 底 座 ： 起 支 承 镜 体 的作用。 二 ． 光学显 微 镜的放 大 成像原 理 及参数 2. 1 金 相 显 微镜的 成 像原理 显微镜的 成 象 放 大 部 分 主要由两 组 透 镜 组 成 。 靠 近 观 察 物 体 的 透 镜 叫 物 镜 ，而 靠 近 眼 睛 的 透 镜 叫 目 镜 。通 过 物 镜 和 目镜的 两 次 放 大 ，就 能 将 物 体 放 大 到 较 高 的 倍 数 ，见 图 1，显微镜的 放 大 光 学 原 理图。物 体 AB 置 于 物 镜 前 ，离 其 焦 点 略 远 处 ， 物 体 的 反 射 光 线 穿 过 物 镜 折 射 后 ， 得 到 了 一 个 放 大 的 实 象 A1B1， 若 此 象 处 于 目镜的 焦 距 之 内，通 过 目镜观察 到 的 图 象 是目镜 放 大 了 的 虚 象 A2B2。 2. 2 显 微 镜 的放大 倍 数 物 镜 的 放 大 倍 数 M 物 =A1B1/AB≈ L╱ F1 目镜的 放 大 倍 数 =A2B2/A1B1≈ D╱ F2 则 显微镜的 放 大 倍 数 为 ： M 总 = M 物 ×M 目 =L╱ F1×D╱ F2=L×250╱ F1×F2 式 中 ： L— 为 光 学 镜 筒 长 度 （ 即 物 镜 后 焦 点 到 目 镜 前 焦 点 的 距 离 ） F1— 物 镜 的 焦 距 。 F2— 目镜的 焦 距 D— 明 视 距 离 （ 人 眼 的 正 常 明 视 距 离 为 250mm） 即 显微镜 总 的 放 大 倍 数 等 于 物 镜 放 大 倍 数 和 目 镜 放 大 倍 数 的 乘 积 。一 般 金 相显微镜的 放 大 倍 数 最 高 可 达 1600 到 2000 倍 。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

由此可看出：因为L光学镜筒长度为定值，可见物镜的放大倍数越大，其焦距越短。在显微镜设计时，目镜的焦点位置与物镜放大所成的实象位置接近，并使目镜所成的最终倒立虚象在距眼晴250毫米处成象，这样使所成的图象看得很清楚。显微镜的主要放大倍数一般通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达100倍，目镜的最高放大倍数可达25倍。放大倍数分别标注在物镜和目镜各自的镜筒上。在用金相显微镜观察组织时，应根据组织的粗细情况，选择适当的放大倍数，以使组织细节部分能观察清楚为准，不要只追求过高的放大倍数，因为放大倍数与透镜的焦距有关，放大倍数越大，焦距越小，会带来许多缺陷。2.3透镜象差：透镜象差就是透镜在成象过程中，由于本身几何光学条件的限制，图象会产生变形及模糊不清的现象。透镜象差有多种，其中对图象影响最大的是球面象差、色象差和象域弯曲三种。显微镜成象系统的主要部件为物镜和目镜，它们都是由多片透镜按设计要求组合而成，而物镜的质量优劣对显微镜的成象质量有很大影响。虽然在显微镜的物镜、目镜及光路系统等设计制造过程中，已将象差减少到很小的范围，但依然存在。（1）球面象差：1）产生原因：球面象差是由于透镜的表面呈球曲形，来自一点的单色光线，通过透镜折射以后，中心和边缘的光线不能交于一点，靠近中心部分的光线折射角度小，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。所以形成了沿光轴分布的一系列的象，使图象模糊不清。这种象差称球面象差，见图2所示。A图2球面象差示意图2）校正方法：a采用多片透镜组成透镜组，即将凸透镜与凹透镜组合形成复合透镜，产生性质相反的球面象差来减少。b通过加光栏的办法，缩小透镜的成象范围。因球面象差与光通过透镜的面积大小有关。在金相显微镜中，球面象差可通过改变孔径光栏的大小来减小。孔径光栏越大，通过透镜边缘的光线越多，球面象差越严重。而缩小光栏，限制边缘光线的射入，可减少球面象差。但光栏太小，显微镜的分辨能力降低，也使图象模糊。因此，应将孔径光栏调节到合适的大小。5PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

5 由 此 可 看 出 ：因 为 L 光 学 镜 筒 长 度为定 值 ，可 见 物 镜 的 放 大 倍 数 越 大 ，其 焦 距越短 。在 显微镜 设 计 时 ，目镜的 焦 点 位 置 与 物 镜 放 大 所 成 的 实 象位置接 近 ， 并 使目镜所 成 的 最 终 倒 立 虚 象 在 距眼睛 250 毫 米 处 成 象 ，这 样使所 成 的 图 象 看 得很清 楚 。 显微镜的 主要放 大 倍 数 一 般 通 过 物 镜 来 保 证 ， 物 镜 的 最 高 放 大 倍 数 可 达 100 倍 ，目镜的 最 高 放 大 倍 数 可 达 25 倍 。放 大 倍 数分别 标 注 在 物 镜和目镜 各 自 的 镜 筒 上 。在 用金相显微镜观察组织 时 ，应 根 据 组织的 粗细情况 ，选 择 适 当 的 放 大 倍 数 ， 以 使组织 细 节 部 分能观察 清 楚 为 准 ， 不 要 只 追 求 过 高 的 放 大 倍 数 ， 因 为 放 大 倍 数 与 透 镜 的 焦 距 有 关 ，放 大 倍 数 越 大 ，焦 距 越 小 ，会 带 来 许 多 缺 陷 。 2. 3 透 镜 象 差 ： 透 镜 象 差 就 是 透 镜 在 成 象 过 程 中 ，由 于 本 身 几 何 光 学 条 件 的 限 制 ，图 象 会 产 生 变 形 及 模 糊 不 清 的 现 象 。透 镜 象 差 有 多 种 ，其 中 对 图 象影响最大 的 是 球 面 象 差 、 色 象 差 和 象 域 弯 曲 三 种 。 显微镜 成 象 系 统 的 主要部 件 为 物 镜和目镜，它 们 都 是 由 多 片 透 镜 按 设 计 要 求 组 合 而 成 ，而 物 镜 的 质量优劣 对 显微镜的 成 象质量 有 很大影响 。虽 然 在 显 微 镜 的 物 镜 、 目镜及 光 路 系 统 等 设 计 制 造 过 程 中 ， 已将象 差减少 到 很 小 的 范 围 ， 但 依 然 存 在 。 （ 1） 球 面 象 差 ： 1） 产 生 原 因 ： 球 面 象 差 是 由 于 透 镜 的 表 面 呈 球 曲 形 ， 来 自 一 点 的 单 色 光 线 ， 通 过 透 镜 折 射 以 后 ，中 心 和 边 缘 的 光 线 不 能 交 于 一 点 ，靠 近 中 心 部 分 的 光 线 折 射 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 。所 以 形 成 了 沿 光 轴 分 布 的 一 系 列 的 象 ，使 图 象 模 糊 不 清 。 这种象 差 称 球 面 象 差 ，见图 2 所 示 。 2） 校 正 方 法 ： a 采 用 多 片 透 镜 组 成 透 镜组，即 将 凸 透 镜 与 凹 透 镜组合 形 成 复 合 透 镜 ，产 生 性 质 相 反 的 球 面 象 差 来 减 少 。 b 通 过 加 光 栏 的 办 法 ，缩 小 透 镜 的 成 象 范 围 。因 球 面 象 差 与 光 通 过 透 镜 的 面 积 大 小 有 关 。 在 金相显微镜 中 ，球 面 象 差 可 通 过 改变孔径 光 栏 的 大 小 来 减 小 。孔 径 光 栏 越 大 ，通 过 透 镜 边 缘 的 光 线 越 多 ，球 面 象 差 越 严 重 。而 缩 小 光 栏 ，限 制 边 缘 光 线 的 射 入 ，可减少球 面 象 差 。但 光 栏 太 小 ，显微镜的分 辨 能 力 降 低 ，也 使 图 象 模 糊 。 因 此 ， 应 将 孔 径 光 栏 调 节 到 合 适 的 大 小 。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

（2）色象差：1）产生原因：色象差的产生是由于白光是由多种不同波长的单色光组成，当白光通过透镜时，波长愈短的光，其折射率愈大，其焦点愈近。而波长越长，折射率越小，其焦点愈远，这样一来使不同波长的光线，形成的象不能在同一点聚焦，使图象模糊所引起的象差，即色象差。见图3所示。2）校正方法：可采用单色光源或加滤色片或使用复合透镜组来减少。A图3色象差示意图（3）象域弯曲：1）产生原因：垂直于光轴的平面，通过透镜所形成的象，不是平面而是凹形的弯曲象面。称象域弯曲。见图4所示。BABA图4象域弯曲示意图2）校正办法：象域弯曲的产生，是由于各种象差综合作用的结果。一般的物镜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于平坦的象域。2.4物镜的数值孔径物镜的数值孔径用NA表示（即NumdericalApertuer），表示物镜的聚光能力。数值孔径大的物镜，聚光能力强，即能吸收更多的光线，使图象更加明显，物镜的数值孔径NA可用公式表示为：NA=n·sinΦ6PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

6 （ 2） 色 象 差 ： 1） 产 生 原 因 ： 色 象 差 的 产 生 是 由 于 白 光 是 由 多 种 不 同 波 长 的 单 色 光 组 成 ， 当 白 光 通 过 透 镜 时 ， 波 长 愈 短 的 光 ， 其 折 射 率 愈 大 ， 其 焦点愈近 。 而 波长越长 ， 折 射 率 越 小 ， 其 焦点愈 远 ， 这 样 一 来 使 不 同 波 长 的 光 线 ， 形 成 的 象 不 能 在 同 一 点聚焦 ，使图 象 模 糊 所 引 起 的 象 差 ， 即 色 象 差 。见图 3 所 示 。 2） 校 正 方 法 ： 可 采 用 单 色 光 源 或 加 滤色片 或 使 用 复 合 透 镜 组 来 减 少 。 （ 3） 象 域 弯 曲 ： 1） 产 生 原 因 ： 垂 直 于 光 轴 的 平 面 ， 通 过 透 镜 所 形 成 的 象 ， 不 是 平 面 而 是 凹 形 的 弯 曲 象 面 。 称 象 域 弯 曲 。见图 4 所 示 。 2） 校 正 办 法：象域 弯 曲 的 产 生，是 由 于 各 种 象 差 综合作用的 结 果 。 一 般 的 物 镜 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 于 平 坦 的 象 域 。 2. 4 物 镜 的 数值孔径 物 镜的数 值 孔 径 用 NA 表 示（ 即 Numderical Apertuer），表 示 物 镜 的 聚 光 能 力 。数 值 孔 径 大 的 物 镜 ，聚 光 能力强，即 能 吸 收 更 多 的 光 线 ，使 图 象 更 加 明 显 ， 物 镜的数 值 孔 径 NA 可 用 公 式 表 示 为 ： NA=n·sin φ PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

其中：n一是物镜与样品间介质的折射率Φ一通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成角度，即孔径半角。可见，数值孔径的大小，与物镜与样品间介质Ⅱ的大小有关，以及孔径角的大小有关。见图5所示。物镜R2R1R1R2R2R1A11R1R2--P介质（空气n=1.0实线）β=30°(油 n=1.52虚线)物体图5物体与物镜之间的介质对物镜数值孔径的影响当物镜与物体之间的介质为空气时，光线在空气中的折射率为n=1，若物镜的孔径半角为30°，则数值孔径为：NA=nsinΦ=1Xsin30°=0.5若物镜与物体之间的介质为松柏油时，介质的折射率n=1.52，则其数值孔径为：NA=nsinΦ=1.52Xsin30°=0.76物镜在设计和使用中，指定以空气为介质的称干系物镜或干物镜，以油为介质的称为油浸系物镜或油物镜。干物镜的n=1，sinΦ值总小于1，故数值孔径NA小于1，油物镜因n=1.5以上，故数值孔径NA大于1。物镜的数值孔径的大小，标志着物镜分辨率的高低，即决定了显微镜分辨率的高低。2.5显微镜的鉴别能力（分辨率）显微镜的鉴别能力是指显微镜对样品上最细微部分能够清晰分辨而获得图象的能力。它主要取决于物镜的数值孔径NA之值大小，是显微镜的一个重要特性。通常用可辨别的样品上的两点间的最小距离d来表示，d值越小，表示显微镜的鉴别能力越高。见图6所示7PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

7 其 中 ： n— 是 物 镜与样品 间 介 质 的 折 射 率 φ — 通 过 物 镜 边 缘 的 光 线 与 物 镜 轴 线 所 成 角 度 ， 即 孔 径 半 角 。 可 见 ，数 值 孔 径 的 大 小 ，与 物 镜与样品 间 介 质 n 的 大 小 有 关 ，以 及 孔 径 角 的 大 小 有 关 。见图 5 所 示 。 当 物 镜 与 物 体 之 间 的 介 质 为 空 气 时 ， 光 线 在 空 气 中 的 折 射 率 为 n=1， 若 物 镜 的 孔 径 半 角 为 30º， 则 数 值 孔 径 为 ： NA=n sinφ =1×sin30º=0.5 若 物 镜 与 物 体 之 间 的 介 质 为 松柏油 时 ， 介 质 的 折 射 率 n=1.52, 则 其 数 值 孔 径 为 ： NA=n sinφ =1.52×sin30º=0.76 物 镜 在 设 计 和使用 中 ,指 定 以 空 气 为 介 质 的 称 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 。干 物 镜 的 n=1，sinφ 值 总 小 于 1，故 数 值 孔 径 NA 小 于 1， 油 物 镜 因 n=1.5 以 上 ， 故 数 值 孔 径 NA 大 于 1。 物 镜的数 值 孔 径 的 大 小 ， 标 志 着 物 镜 分 辨 率 的 高 低 ， 即 决 定 了 显微镜分 辨 率 的 高 低 。 2. 5 显 微 镜 的鉴别 能 力（分 辨 率 ） 显微镜的 鉴 别能力是指显微镜 对 样 品 上 最 细 微 部 分 能 够 清 晰 分 辨 而获得 图 象 的能力。 它 主 要 取 决 于 物 镜的数 值 孔 径 NA 之 值 大 小 ，是显微镜的一 个 重 要 特 性 。通常用 可 辨 别的样品 上 的 两 点 间 的 最 小 距 离 d 来 表 示 ， d 值 越 小 ， 表 示 显微镜的 鉴 别能力 越 高 。见图 6 所 示 。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

0D(a)(b)(c)图6显微镜分辨率高低示意图(a)样品上两点之间距离（b）低分辨率（c)高分辨率显微镜的鉴别能力可用下式表示：d=入/2NA其中：入一入射光的波长，NA一表示物镜的数值孔径。可见分辨率与入射光的波长成正比，入越短，分辨率越高：其与数值孔径成反比，数值孔径NA越大，d值越小，表明显微镜的鉴别能力越高。2.6有效放大倍数用显微镜能否看清组织细节，不但与物镜的分辨率有关，且与人眼的实际分辨率有关。若物镜分辨率很高，形成清晰的实象，而配用的目镜倍数过低，也使观察者难于看清，称放大不足。但若选用的目镜倍数过高，即总放大倍数越大，看得并非越清晰。实践表明，超出一定的范围，放得越大越模糊，称虚伪放大。显微镜的有效放大倍数取决于物镜的数值孔径。有效放大倍数是指物镜分辨清晰的d距离，同样也被人眼分辨清晰所必须的放大倍数，用Mg表示：Mg=d1/d=2d1NA/入其中d1一人眼的分辨率，d一物镜的分辨率在明视距离250mm处正常人眼的分辨率为0.15一0.30m，若取绿光入=5500X10-7mm则：Mg（min）=2X0.15XNA/5500X10-7~550NAMg（max）=2×0.30XNA/5500×10-7~1000NA这说明在550NA一1000NA范围内的放大倍数均称有效放大倍数。但随着光学零件的设计完善与照明方式的不断改进，以上范围并非严格限制。有效放大倍数的范围，对物镜和目镜的正确选择十分重要。例如物镜的放大倍数是25，数值孔径为NA=0.4，即有效放大倍数应为200一400倍范围内，应选用8或16倍的目镜才合适。三物镜与目镜的种类及标志3.1物镜的种类物镜是成象的重要部分，而物镜的优劣取决于其本身象差的校正程度，所以物镜通常是按照象差的校正程度来分类，一般分为消色差及平面消色差物镜、复消色差及平面复消色差物镜、半复消色差物镜、消象散物镜等。因为对图象质量影响很大的象差是球面象差、色象差和象域弯曲，前二者对图象中央部分的清晰度有很大影响，而象域弯曲对图象的边缘部分有很大影响。除此之外，还有按物体与物镜间介质分类的，有介质为空气的干系物镜和介质为油的8PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

8 显微镜的 鉴 别能力 可 用 下 式 表 示 ： d=λ ／ 2NA 其 中 ： λ —入射 光 的 波 长 ， NA— 表 示 物 镜 的 数 值 孔 径 。 可 见 分 辨 率 与 入 射 光 的 波 长 成 正 比 ，λ 越 短 ，分 辨 率 越 高 ；其与数 值 孔 径 成 反 比 ， 数 值 孔 径 NA 越 大 ， d 值 越 小 ， 表 明 显微镜的 鉴 别能力 越 高 。 2. 6 有 效 放 大倍数 用显微镜能 否 看 清 组 织 细 节 ，不 但 与 物 镜 的 分 辨 率 有 关 ，且 与 人 眼 的 实 际 分 辨 率 有 关 。 若 物 镜 分 辨 率 很 高 ， 形 成 清 晰 的 实 象 ， 而 配用的目镜 倍 数 过 低 ， 也 使观察 者 难 于 看 清 ，称 放 大 不 足 。但 若 选 用的目镜 倍 数 过 高 ，即 总 放 大 倍 数 越 大 ，看 得 并 非 越 清 晰 。实 践 表 明 ，超 出 一 定 的 范 围 ，放 得 越 大 越模糊 ，称 虚 伪 放 大 。 显微镜的 有 效 放 大 倍 数 取 决 于 物 镜的数 值 孔 径 。有 效 放 大 倍 数是指 物 镜 分 辨 清 晰 的 d 距 离 ， 同 样 也 被 人 眼 分 辨 清 晰 所 必 须 的 放 大 倍 数，用 Mg 表 示 ： Mg=d1／ d=2 d1 NA／ λ 其 中 d1— 人 眼 的 分 辨 率 ， d— 物 镜的分 辨 率 在 明 视 距 离 250mm 处 正 常 人 眼 的 分 辨 率 为 0.1 5— 0.30m，若 取 绿 光 λ =5500 ×10-7mm 则 ： Mg（ min） =2×0.15×NA／ 5500×10-7≈ 550NA Mg（ max） =2×0.30×NA／ 5500×10-7≈ 1000NA 这 说 明 在 550NA— 1000NA 范 围 内 的 放 大 倍 数 均 称 有 效 放 大 倍 数 。但 随 着 光 学 零 件 的 设 计 完 善 与 照 明 方 式 的 不 断 改 进 ，以 上 范 围 并 非 严 格 限 制 。有 效 放 大 倍 数 的 范 围 ， 对 物 镜和目镜的 正确选 择 十 分 重 要 。 例 如 物 镜 的 放 大 倍 数 是 25， 数 值 孔 径 为 NA=0.4，即 有 效 放 大 倍 数 应 为 20 0— 400 倍 范 围 内 ，应 选 用 8 或 16 倍 的目镜 才 合 适 。 三 ． 物镜与 目 镜的种 类 及标志 3. 1 物 镜 的 种 类 物 镜 是 成 象 的 重 要 部 分 ，而 物 镜 的 优 劣 取 决 于 其 本 身 象 差 的 校 正 程 度 ，所 以 物 镜通常是 按 照 象 差 的 校 正 程 度 来 分 类 ， 一 般 分 为 消 色 差 及 平 面 消 色 差 物 镜 、复 消 色 差 及 平 面 复 消 色 差 物 镜 、半 复 消 色 差 物 镜 、消 象 散 物 镜 等 。因 为 对 图 象质量影响很大 的 象 差 是 球 面 象 差 、色 象 差 和 象 域 弯 曲 ，前 二 者 对 图 象 中 央 部 分 的 清 晰 度 有 很大影响 ，而象域 弯 曲 对 图 象 的 边 缘 部 分 有 很大影响 。除 此 之 外 ，还 有 按 物 体 与 物 镜 间 介 质 分类的，有 介 质 为 空 气 的 干 系 物 镜 和 介 质 为 油 的 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

油系物镜。按放大倍数分类的低、中、高倍物镜和特殊用途的专用显微镜上的物镜如高温反射物镜、紫外线物镜等。按象差分类的常用的几种物镜如下：（1）消色差及平面消色差物镜消色差物镜对象差的校正仅为黄、绿两个波区，使用时宜以黄绿光作为照明光源，或在入射光路中插入黄绿色滤色片，以使象差大为减少，图象更为清晰。而平面消色差物镜还对象域弯曲进行了校正，使图象平直，边缘与中心能同时清晰成象。适用于金相显微摄影。（2）复消色差及平面复消色差物镜复消色差物镜色差的校正包括可见光的全部范围，但部分放大率色差仍然存在。而平面复消色差物镜还进一步作了象域弯曲的校正。（3）半复消色差物镜象差校正介于消色差和复消色差物镜之间，其它光学性质与复消色差物镜接近。但价格低廉，常用来代替复消色差物镜。3.2物镜的标志物镜的标志一般包括如下几项：（1）物镜类别。国产物镜，用物镜类别的汉语拼音字头标注，如平面消色差物镜标以“PC’，。西欧各国产物镜多标有物镜类别的英文名称或字头，如平面消色差物镜标以“Planarchromatic或P1”，消色差物镜标以“Achromatic”，复消色差物镜标以“Apochromatic”（2）物镜的放大倍数和数值孔径。标在镜筒中央位置，并以斜线分开，如10X/0.30，45X/0.63，斜线前如10X，45X为放大倍数，其后为物镜的数值孔径如0.30，0.63。（3）适用的机械镜筒长度。如170，190，80/0，表示机械镜筒长度（即物镜座面到目镜筒顶面的距离）为170，190，无限长。0表示无盖波片。（4）油浸物镜标有特别标注，刻以HI，oil，国产物镜标有油或Y。物镜的标志如图7所示。OPDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

9 油 系 物 镜 。按 放 大 倍 数分类的 低 、中 、高 倍 物 镜和特 殊 用 途 的专用显微镜 上 的 物 镜 如 高 温 反 射 物 镜 、 紫 外 线 物 镜 等 。 按 象 差 分类的常用的 几种物 镜 如 下 ： （ 1） 消 色 差 及 平 面 消 色 差 物 镜 消 色 差 物 镜 对 象 差 的 校 正 仅 为 黄 、绿 两 个 波 区 ，使 用 时 宜 以 黄 绿 光 作 为 照 明光源 ，或 在 入 射 光 路 中 插 入 黄 绿 色滤色片 ，以 使 象 差 大 为 减 少 ，图 象 更 为 清 晰 。而 平 面 消 色 差 物 镜 还 对 象 域 弯 曲 进 行 了 校 正 ，使 图 象 平 直 ，边 缘 与 中 心 能 同 时 清 晰 成 象 。 适 用 于 金相显微 摄 影 。 （ 2） 复 消 色 差 及 平 面 复 消 色 差 物 镜 复 消 色 差 物 镜 色 差 的 校 正 包 括 可 见 光 的 全 部 范 围 ，但 部 分 放 大 率色差 仍 然 存 在 。 而 平 面 复 消 色 差 物 镜 还 进 一 步 作 了 象 域 弯 曲 的 校 正 。 （ 3） 半 复 消 色 差 物 镜 象 差 校 正 介 于 消 色 差 和 复 消 色 差 物 镜 之 间 ，其 它 光 学 性 质 与 复 消 色 差 物 镜 接 近 。 但 价 格 低 廉 ，常用 来 代 替 复 消 色 差 物 镜 。 3. 2 物 镜 的 标 志 物 镜 的 标 志 一 般 包 括 如 下 几 项 ： （ 1） 物 镜类别。 国 产 物 镜，用 物 镜类别的 汉 语拼音字头 标 注 ， 如 平 面 消 色 差 物 镜 标以“ PC’ ’ 。西 欧 各 国 产 物 镜 多 标 有 物 镜类别的 英 文 名 称 或 字 头 ， 如 平 面 消 色 差 物 镜 标 以 “ Planarchromatic 或 Pl” ， 消 色 差 物 镜 标 以 “ Achromatic” ， 复 消 色 差 物 镜 标 以 “ Apochromatic” 。 （ 2） 物 镜 的 放 大 倍 数和数 值 孔 径 。 标 在 镜 筒 中 央 位 置 ， 并 以 斜 线 分 开 ， 如 10X/0.30，45X/0.63，斜 线 前 如 10X，45X 为 放 大 倍 数 ，其 后 为 物 镜的数 值 孔 径 如 0.30， 0.63。 （ 3） 适 用 的 机 械 镜 筒 长 度 。 如 170， 190， ∞ /0， 表 示 机 械 镜 筒 长 度 （ 即 物 镜 座 面 到 目 镜 筒 顶 面 的 距 离 ） 为 170， 190， 无 限 长 。 0 表 示 无 盖 波 片 。 （ 4） 油 浸 物 镜 标 有 特 别 标 注 ， 刻 以 HI,oil， 国 产 物 镜 标 有 油 或 Y。 物 镜 的 标 志 如 图 7 所 示 。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn