实验一 金相显微镜的原理、构造及使用 一、实验目的 1、了解金相显微镜的基本原理和构造 2、掌握金相显微镜的使用方法。 二、金相显微镜的原理及构造 显微分析方法是材料科学领域的一个很重要的研究方法，它可以观察及研究金属等材料 中用宏观分析方法无法观察到的组织细节及缺陷。金相显微镜就是进行显微分析的主要工 具。 (一)显微镜的成象原理 显微镜的基本放大原理如图1·1所示。其放大作用主要由焦距很短的物镜和焦距较长的 目镜来完成。为了减少象差，显微镜的目镜和物镜都是由透镜组构成复杂的光学系统，其中 物镜的构造尤为复杂。为了便 图中的物镜和目镜都简化为单透镜。 物体 AB位于 镜的前焦点外但很靠近焦点的位置上，经过物镜形成一个倒立放大的实象AB,这个象位 目镜的物方焦距内但很靠近焦点的位置上，作为目镜的物体。目镜将物镜放大的实象再放大 成虚象A"B".位于观察者的明视距离（距人眼250mm)处，供眼晴观察，在视网膜上成最终的 实象ABm。 以上利用几何光学原理对显微镜的成象过程进行了分析。但是实际上金相显微镜所观察 的显微组织，往往几何尺寸很小，小至可与光波的波长相比较，根据光的电磁波理论，此 不能再近似地把光线看成是直线传播，而要考虑衍射的影响。另一方面，显微镜中的光线总 是部分相干的。因此，显微镜的成象过程是一个比较复杂的衍射相干过程。事实上，由于衍 射等因素的影响，显微镜的分铁能力和放大能力都受到一定限制。日前金相显微镜可观察的 最小尺寸一般是0.2m左右，有效放大率最大为1500-1600倍 === 图11显微镜的成象原理图 (二)显微镜的放大率 显微镜的放大率M等于物镜的线放大率m,与目镜的角放大率m的乘积，即： M=mrm -)
实验一 金相显微镜的原理、构造及使用 一、实验目的 1、了解金相显微镜的基本原理和构造。 2、掌握金相显微镜的使用方法。 二、金相显微镜的原理及构造 显微分析方法是材料科学领域的一个很重要的研究方法，它可以观察及研究金属等材料 中用宏观分析方法无法观察到的组织细节及缺陷。金相显微镜就是进行显微分析的主要工 具。 (一) 显微镜的成象原理 显微镜的基本放大原理如图 1-1 所示。其放大作用主要由焦距很短的物镜和焦距较长的 目镜来完成。为了减少象差，显微镜的目镜和物镜都是由透镜组构成复杂的光学系统，其中 物镜的构造尤为复杂。为了便于说明，图中的物镜和目镜都简化为单透镜。物体 AB 位于物 镜的前焦点外但很靠近焦点的位置上，经过物镜形成一个倒立放大的实象 A′B′，这个象位于 目镜的物方焦距内但很靠近焦点的位置上，作为目镜的物体。目镜将物镜放大的实象再放大 成虚象 A"B",位于观察者的明视距离(距人眼 250mm)处，供眼睛观察，在视网膜上成最终的 实象 A′′′B′′′。 以上利用几何光学原理对显微镜的成象过程进行了分析。但是实际上金相显微镜所观察 的显微组织，往往几何尺寸很小，小至可与光波的波长相比较，根据光的电磁波理论，此时 不能再近似地把光线看成是直线传播，而要考虑衍射的影响。另一方面，显微镜中的光线总 是部分相干的。因此，显微镜的成象过程是一个比较复杂的衍射相干过程。事实上，由于衍 射等因素的影响，显微镜的分辨能力和放大能力都受到一定限制。目前金相显微镜可观察的 最小尺寸一般是 0.2μm 左右，有效放大率最大为 1500~1600 倍。 图 1-1 显微镜的成象原理图 (二) 显微镜的放大率 显微镜的放大率 M 等于物镜的线放大率 m1 与目镜的角放大率 m2 的乘积，即： M＝m1·m2 (1-1)
根据几何光学得到物镜的放大率为： 1-2) 式中：L为显微镜的光学镜筒长度，即从物镜的后焦点到所成实象的距离：（为物镜的焦距， 负号表示所成的象是倒立的。同理，目镜的放大率为： m (1-3) 式中：D为人眼晴的明视距离：戈为目镜的焦距。 将式(1-2)、(13)代入式(1-1)可得： M=- LD (1-4) (1-4)式可知，显微镜的放大率与光学镜筒长度成正比，与物镜、目镜的焦距成反比。 通常物镜、目镜的放大率都刻在镜体上，显微镜的总放大率可以由式(1-1)算出。由于物 镜的放大率是在一定的光学镜筒长度下得出的，因而同一物镜在不同的光学镜筒长度下其放 大密是不司的。有的显微镜由干设计镜筒较短，在计算总放大整时，需要垂以一个系数 光学镜筒长度在实际应用 中很不方便，通常均使用机械镜筒长度，即物镜的支承面与目 镜支承面之间的距离。显微镜的机械镜筒长度分为有限和任意两种。有限机械镜筒长度名 国标准不同，一般在160-190mm之间，我国规定为160mm。物镜外壳上通常标有160/0或 160/一等，斜线前数字表示机械镜筒长度，斜线后的“0”或“一”表示金相显微镜不用盖玻璃片： 对于诱射显微镜，此处的数字表示盖玻璃片的厚度。任意机械镜筒长府用0或/一表示 这种物镜可以在任何镜筒长度下使用，而不会影响成象质量 (三)透镜的象差 单片普通透镜所成的象，由于物理条件的限制，往往模糊不清或发生畸变，在实际成象 中出现的所有缺路和偏差都称为象差。象差一般分为两大类：一类是单色光成象时的象差 简称为单色象差，包括球面象差、彗形象差、象散和象域弯曲：另一类是多色光成象时的象 差，称为色象差，这是由于介质对不同波长的光的折射率不同 而引起的。对显微成象影响 大的有三种象差，即球面象差、色象差和象域弯曲。下面分别介绍这三种象差。 (山球面来整 来自光轴某点的单色光通过透镜时，由于通过光轴附近的光线的折射角小，透镜边缘的 光线的折射角大，因而会形成前后分右 的许多聚焦点， 弥散的光斑。这利 现象称为球面象差，如图-2所 为了降低球面象差，可采用组合透镜 作为物镜进行校正。此外还可以在使用 显微镜时适当调节孔径光烂，控制入射 光束的粗细，让一束细光通过透镜中心 部位，从而可把球面象差降低到最 图12球面象差示意图 度。但这样做由于孔径角减小，会使分 辨*降低
２ 根据几何光学得到物镜的放大率为： 1 1 L m f (1-2) 式中：L 为显微镜的光学镜筒长度，即从物镜的后焦点到所成实象的距离；f1 为物镜的焦距， 负号表示所成的象是倒立的。同理，目镜的放大率为： 2 2 D m f (1-3) 式中；D 为人眼睛的明视距离；f2 为目镜的焦距。 将式(1－2)、(1-3)代入式(1-1)可得： 1 2 LD M f f (1-4) 由(1-4)式可知，显微镜的放大率与光学镜筒长度成正比，与物镜、目镜的焦距成反比。 通常物镜、目镜的放大率都刻在镜体上，显微镜的总放大率可以由式(1-1)算出。由于物 镜的放大率是在一定的光学镜筒长度下得出的，因而同一物镜在不同的光学镜筒长度下其放 大率是不同的。有的显微镜由于设计镜筒较短，在计算总放大率时，需要乘以一个系数。 光学镜筒长度在实际应用中很不方便，通常均使用机械镜筒长度，即物镜的支承面与目 镜支承面之间的距离。显微镜的机械镜筒长度分为有限和任意两种。有限机械镜筒长度各 国标准不同，一般在 160~190mm 之间，我国规定为 160mm。物镜外壳上通常标有 160/0 或 160/一等，斜线前数字表示机械镜筒长度，斜线后的“0”或“一”表示金相显微镜不用盖玻璃片； 对于透射显微镜，此处的数字表示盖玻璃片的厚度。任意机械镜筒长度用∞/0 或∞/－表示， 这种物镜可以在任何镜筒长度下使用，而不会影响成象质量。 (三) 透镜的象差 单片普通透镜所成的象，由于物理条件的限制，往往模糊不清或发生畸变，在实际成象 中出现的所有缺陷和偏差都称为象差。象差一般分为两大类：一类是单色光成象时的象差， 简称为单色象差，包括球面象差、彗形象差、象散和象域弯曲；另一类是多色光成象时的象 差，称为色象差，这是由于介质对不同波长的光的折射率不同而引起的。对显微成象影响最 大的有三种象差，即球面象差、色象差和象域弯曲。下面分别介绍这三种象差。 (1) 球面象差 来自光轴某点的单色光通过透镜时，由于通过光轴附近的光线的折射角小，透镜边缘的 光线的折射角大，因而会形成前后分布 的许多聚焦点，成一弥散的光斑。这种 现象称为球面象差，如图 1-2 所示。 为了降低球面象差，可采用组合透镜 作为物镜进行校正。此外还可以在使用 显微镜时适当调节孔径光栏，控制入射 光束的粗细，让一束细光通过透镜中心 部位，从而可把球面象差降低到最低限 度。但这样做由于孔径角减小，会使分 辨率降低。 图 1-2 球面象差示意图
(2)色来整 当用白光照射时，会形成一系列不同颜色的象。这是由于组成白光的各色光波长不同， 折射率不同，因而成象的位置也不同，这就是色象差。 色象差分为轴向色差和垂轴色差。轴向色差是指各色光的成象位置沿轴向分布不同。紫 光折射率最大，红光折射率最小，因此紫光成象离透镜较近，红光成象离透镜较远.如图 13所示。由于存在轴向色差，因而使用白光照射会出现彩色的象。 垂轴色差是由于透镜对各色光的放大率不同，因而成象大小也不同，亦称为放大率色差， 如图14所示。垂轴色差的存在，使白光成象边缘出现彩色。 消除色象差比较困难 一般采用由不同的透镜组合制成的物镜进行校正， 图13轴向色差示意图 轴向色差 工 图14垂轴色差与轴向色差示意图 垂直于光轴的直立的物体经过透镜后会形成一弯曲的象面，这称为象域弯曲，如图15 所示。象域弯曲是几种象差综合作用的结果，会造成难以在垂直放若的平胶片上得到全部清 晰的成象。 图.象瘦曲示图 象域弯曲可以用特制的物镜校正。平面消色差物镜或平面复消色差物镜都可以用来 校正象域弯曲，使成象平坦清晰
３ (2) 色象差 当用白光照射时，会形成一系列不同颜色的象。这是由于组成白光的各色光波长不同， 折射率不同，因而成象的位置也不同，这就是色象差。 色象差分为轴向色差和垂轴色差。轴向色差是指各色光的成象位置沿轴向分布不同。紫 光折射率最大，红光折射率最小，因此紫光成象离透镜较近，红光成象离透镜较远．如图 1-3 所示。由于存在轴向色差，因而使用白光照射会出现彩色的象。 垂轴色差是由于透镜对各色光的放大率不同，因而成象大小也不同，亦称为放大率色差， 如图 1-4 所示。垂轴色差的存在，使白光成象边缘出现彩色。 消除色象差比较困难，一般采用由不同的透镜组合制成的物镜进行校正。 图 1-3 轴向色差示意图 图 1-4 垂轴色差与轴向色差示意图 (3) 象域弯曲 垂直于光轴的直立的物体经过透镜后会形成一弯曲的象面，这称为象域弯曲，如图 1-5 所示。象域弯曲是几种象差综合作用的结果，会造成难以在垂直放着的平胶片上得到全部清 晰的成象。 图 1-5 象域弯曲示意图 象域弯曲可以用特制的物镜校正。平面消色差物镜或平面复消色差物镜都可以用来 校正象域弯曲，使成象平坦清晰
(四)显微镜的物镜 显微镜的成象质量在很大程度上取决于物镜的质量，因此物镜是显微镜最重要的部 件。近年来由于采用了计算机技术 ,物镜的设计和制造都有了很大改进 (山数值或径(NA) 物镜的数值孔径表示物镜收集光线的能力。物镜对试样上各点的反射光收集得域多 成象质量就越好。数值孔径常以NA来表示，并用下列公式进行计算： NA =nsind) (15 式中：n为物镜与试样之间介质的折射率：为物镜孔径角的一半（图1-6）。由式(1一5) 可知，中角越大，物镜前透镜收集光线的能力就越大。角的大小取决于前透镜的尺寸和物 镜的工作距离（即显微镜成象清楚时，从试样表面到前透镜之间的距离）。对于干系物镜（即物 镜与试样之间的介质为空气)，由于=l,因而物镜的数值孔径不能大于1，一般只能到0.9 左右。对于油浸物镜，由于物镜与试样之间放了折射率较大的介质，因而进入物镜的光线增 加，如图1-7所示，可以看出，孔径角为2的油浸物镜收集光线的能力相当于孔径角为2， 的干系物镜。 当介质为n 1,515的松柏油时，数值孔径值最大可达14左右 油浸物镜在物 镜镜体上刻有H五、O1或01，同时有环绕镜体的黑圈标志。物镜的数值孔径一般都标在物 镜的镜体上。 2)分率 显微镜的分辨率用它能清晰地分辨试样上两点间的最小距离d表示 分辨率决定了显 微镜分辨试样上细节的程度。前面已经提到，显微镜的物镜是使物体放大成一实象，目镜的 作用是使这个实象再次放大，这就是说，目镜只能放大物镜己分辨的细节，物镜未能分辨的 细节，决不会通过目镜放大而变得可分辨。因此显微镜的分辨率主要取决于物镜的分辨率。 物镜分辨率的表达式如下： d-2N.A. (1-6) 式中：2为入射光的波长：NA为物镜的数值孔径。由式(1-6)可知，对于一定波长的入射 光，物镜的分辨率完全取决于物镜的数值孔径：数值孔径越大，分辨率就越高。 空气 b ☑ 图1-6干系物镜的孔径角和数值孔径 图1-7油浸物镜的孔径角和数值孔径 N.A.=sin=4 N.A.=sin=sinΦ 为了充分利用物镜的分辨率，使操作者看清己被物镜分辨出的组织细节，显微镜必须有 适当的放大率。人眼睛能看清的组织细节对眼睛的视角应大于眼睛的极限分辨角。当照明条 件良好时，这一极限分辨角约为1。为了使眼晴能够不太费力地分辨，视角应不小于
４ (四) 显微镜的物镜 显微镜的成象质量在很大程度上取决于物镜的质量，因此物镜是显微镜最重要的部 件。近年来由于采用了计算机技术，物镜的设计和制造都有了很大改进。 (1) 数值孔径(N.A.) 物镜的数值孔径表示物镜收集光线的能力。物镜对试样上各点的反射光收集得越多， 成象质量就越好。数值孔径常以 N.A.来表示，并用下列公式进行计算： N.A.＝nsinΦ (1-5) 式中：n 为物镜与试样之间介质的折射率；Φ 为物镜孔径角的一半(图 1-6)。由式(1—5) 可知，Φ 角越大，物镜前透镜收集光线的能力就越大。Φ 角的大小取决于前透镜的尺寸和物 镜的工作距离(即显微镜成象清楚时，从试样表面到前透镜之间的距离)。对于干系物镜(即物 镜与试样之间的介质为空气)，由于 n=1，因而物镜的数值孔径不能大于 1，一般只能到 0.9 左右。对于油浸物镜，由于物镜与试样之间放了折射率较大的介质，因而进入物镜的光线增 加，如图 1-7 所示，可以看出，孔径角为 2Φ 的油浸物镜收集光线的能力相当于孔径角为 2Φ1 的干系物镜。当介质为 n＝1.515 的松柏油时，数值孔径值最大可达 1.4 左右。油浸物镜在物 镜镜体上刻有 Hi、Oil 或 Ö1，同时有环绕镜体的黑圈标志。物镜的数值孔径一般都标在物 镜的镜体上。 (2) 分辨率 显微镜的分辨率用它能清晰地分辨试样上两点间的最小距离 d 表示。分辨率决定了显 微镜分辨试样上细节的程度。前面已经提到，显微镜的物镜是使物体放大成一实象，目镜的 作用是使这个实象再次放大，这就是说，目镜只能放大物镜已分辨的细节，物镜未能分辨的 细节，决不会通过目镜放大而变得可分辨。因此显微镜的分辨率主要取决于物镜的分辨率。 物镜分辨率的表达式如下： 2 . d N A (1-6) 式中：λ 为入射光的波长；N.A.为物镜的数值孔径。由式(1-6)可知，对于一定波长的入射 光，物镜的分辨率完全取决于物镜的数值孔径；数值孔径越大，分辨率就越高。 图 1-6 干系物镜的孔径角和数值孔径 图 1-7 油浸物镜的孔径角和数值孔径 . 1 a N A sin b N A n . sin sin 1 为了充分利用物镜的分辨率，使操作者看清已被物镜分辨出的组织细节，显微镜必须有 适当的放大率。人眼睛能看清的组织细节对眼睛的视角应大于眼睛的极限分辨角。当照明条 件良好时，这一极限分辨角约为 1′。为了使眼睛能够不太费力地分辨，视角应不小于
24。如果取2为分辨角的下限，4为分辨角的上限，则人眼在明视距离处能分辨的线距离d' 为： 250x2x0×70≤d≤250×4×60×10 (1-7) 即人眼在明视距离处的分辨距离应不小于0.15~0.30mm。由于显微镜的放大率M为d与d 之比，所以， d'=dxM=M/2N.A (1-8) 将式(1-8)代入式(1-7)并设所用光线的波长为0.55μm(黄绿光)，则可以得M的近似表达 式如下： 500NA.<M<1000N.A (1-9) 放大率的这个范用称为有效放大率。放大率小于式(1-9)的下限时，人眼不能看清物镜己分辨 的组织细节：放大率大于式(1-9)的上限时，人眼并不能看到更多的细节，物体的象反而不如 放大率较低时清晰，这种放大称为“虚放大"“或“无效放大”。 (a)N.A.=0.25600x b)N.A.=0.95600 图18物镜的数值孔径对同一组织分辨情况的对比 18示出在放大率及昭明光线波长相同司的冬件下，采用不同俏径的物观家珠光 体组织的分辨情况对比。采用数值孔径为 0.25的物镜 600倍已超过其 有效放大率的上限 所看到的组织模糊不清，如图(a):采用数值孔径为0.95的物镜，成象质量较好，如图b)。 ()痛深（●直分鲜本） 焦深是物镜对高低不平的物体能够清晰成象的能力。当显微镜准确聚焦于某一物面时， 加果位干其前面及后面的物面仍然能被观容者看洁墙，则该最远两平面之间的臣离黄是住 深。物镜的焦深主要取 于物镜的数值孔径。 在照相时，物镜的焦深(d)与数值孔径N.A 之间的关系如下 d=n2-(N.A)2]2N.A)] (1-10) 从式(110)可以看出，物镜的数值孔径越大，其焦深越小。在物镜的数值孔径特别大的 情况下，显微镜可以有很好的分辨率，但焦深很小。因此要根据需要选择数值孔径合适的物 镜。当显微镜用于高倍观察时，由于焦深小，只有在金相试样表面高低差别很小时，才能清 晰成象，因而高倍观察所用的试样应浅腐蚀。 用眼睛观察时，焦深比照相时大，若用d和d分别表示用眼睛观察和照相时的焦深， 则有如下关系式： d=d,+250f (1-11) 式中，M为放大率。表1-1给出了不同物镜的焦深
５ 2′～4′。如果取 2′为分辨角的下限，4′为分辨角的上限，则人眼在明视距离处能分辨的线距离 d′ 为： 1 1 250 2 250 4 60 180 60 180 d ≤ ≤ (1-7) 即人眼在明视距离处的分辨距离应不小于 0.15～0.30mm。由于显微镜的放大率 M 为 d′与 d 之比，所以， d′=d×M=λM/2N.A. (1-8) 将式(1-8)代入式(1-7)并设所用光线的波长为 0.55µm(黄绿光)，则可以得 M 的近似表达 式如下： 500N.A.<M<1000N.A. (1-9) 放大率的这个范围称为有效放大率。放大率小于式(1-9)的下限时，人眼不能看清物镜已分辨 的组织细节；放大率大于式(1-9)的上限时，人眼并不能看到更多的细节，物体的象反而不如 放大率较低时清晰，这种放大称为“虚放大”或“无效放大”。 (a) N.A.＝0.25 600×； (b) N.A.＝0.95 600× 图 1-8 物镜的数值孔径对同一组织分辨情况的对比 图 1-8 示出在放大率及照明光线波长相同的条件下，采用不同数值孔径的物镜观察珠光 体组织的分辨情况对比。采用数值孔径为 0.25 的物镜，600 倍已超过其有效放大率的上限， 所看到的组织模糊不清，如图(a)；采用数值孔径为 0.95 的物镜，成象质量较好，如图(b)。 (3) 焦深(垂直分辨率) 焦深是物镜对高低不平的物体能够清晰成象的能力。当显微镜准确聚焦于某一物面时， 如果位于其前面及后面的物面仍然能被观察者看清楚，则该最远两平面之间的距离就是焦 深。物镜的焦深主要取决于物镜的数值孔径。在照相时，物镜的焦深(dL)与数值孔径(N.A.) 之间的关系如下： 1 2 2 2 2 d n N A N A L ( . ) /( . ) (1-10) 从式(1-10)可以看出，物镜的数值孔径越大，其焦深越小。在物镜的数值孔径特别大的 情况下，显微镜可以有很好的分辨率，但焦深很小。因此要根据需要选择数值孔径合适的物 镜。当显微镜用于高倍观察时，由于焦深小，只有在金相试样表面高低差别很小时，才能清 晰成象，因而高倍观察所用的试样应浅腐蚀。 用眼睛观察时，焦深比照相时大，若用 d′L和 dL分别表示用眼睛观察和照相时的焦深， 则有如下关系式： d′L＝dL+(250/M2 ) (1-11) 式中，M 为放大率。表 1-1 给出了不同物镜的焦深
表11不同物镜的标准焦深 物镜 目镜 深(m 目视 10×,025NA 10× 0.0080 0.0335 43×,065NA 10× 0.0010 00023 97×,1.80N.A 10 0.0002 0.0005 (④工作距有与视场范围 物镜的丁作距离是指显微镫准确聚体后，试样表面与物镜的前瑞之间的距离。物镜的放 大率越高， 工作距离越短。表12给出了不同物镜的大致工作距离，供参考。从表中可以看 出，高放大率的物镜的工作距离相当短， 因此 观察焦时要格外细心 表1-2不同物镜的工作更离 物锆 类刊 工作距离(mm) 10×,0.25N.A 消色差物镜 77 21×,0.50N.A 消色差物镜 6 20×.0.65N.A 复消色差物镜 0.5 65x,0.85NA 消色差物镜 0.3 47×,0.95NA 复消色差物镜 0.18 97×,1.25NA 消色差物镜 0.11 00×.140NA 钉消出差潮培 006 视场范围是指显微镜中所观察到的试样表面区域的大小。视场范围与物镜的放大幸成反 比。普通物镜初次放大实象的直 般为18mm, 放大率为0 40× 100×的物镜，其视场 的直径分别为1.8mm、0.45mm、0.18mm。平视场物镜初次放大实象直径可达28mm,视场 范围便大大增加 ⑤)物镜的蒸本典型 根据对各种象差的校正程度的不同，一般将物镜分为消色差物镜、复消色差物镜和平视 场 大类 1)消色差物镜 消色差物镜对球差的校正限于黄绿光范围内，对色差只校正红、绿光。因此消色差物镜 仍有残余的色差，象域弯曲仍然存在。使用消色差物镜时采用黄绿光照明或加黄绿色滤色片 可以少兔差 消色差物镜结构比较简单，成本低，视场中部象差基本上得到校正，在显微镜中最为常 用。 2)复消色差物镜 复消色差物镜是质量很高的物镜，对色差可校正红、绿、紫三个波区（实际等于整个可 见光范围)：球差校正可达绿紫光范围，但对象域弯曲没有根本的改善。这种物镜对光源没 有任何限制，一般数值孔径较大，成象质量较高，适于高倍观察 视场物镜 以上两种物镜都是根据对球差和色差的校正程度来分类的。而平视场物镜是以视场平 面校正的广度为标准的。平视场物镜可使象域弯曲得到很好的校正。平视场物镜又可分为 平场消色差物镜和平场复消色差物镜，对球差和色差的校正分别与消色差物镜和复消色差 物镜相同。这种物镜的特点是显著地扩大了象域的平整范用，使整个视场都比较清渐，话于 观 ,更有利于照相。图1-9示出消色差物镜(a)和平场消色差物镜b)的面图。从图中可 以看出，后者镜片比前者多得多，因此生产成本要高得多。 6
６ 表 1-1 不同物镜的标准焦深 物 镜 目 镜 焦 深 (mm) 照 相 目 视 10×，0.25 N.A. 10× 0.0080 0.0335 43×，0.65 N.A. 10× 0.0010 0.0023 97×，1.80 N.A. 10× 0.0002 0.0005 (4) 工作距离与视场范围 物镜的工作距离是指显微镜准确聚焦后，试样表面与物镜的前端之间的距离。物镜的放 大率越高，工作距离越短。表 1-2 给出了不同物镜的大致工作距离，供参考。从表中可以看 出，高放大率的物镜的工作距离相当短，因此，观察调焦时需要格外细心。 表 1-2 不同物镜的工作距离 物 镜 类 型 工作距离 (mm) 10×，0.25N.A. 消色差物镜 7.7 21×，0.50N.A. 消色差物镜 1.6 20×，0.65N.A. 复消色差物镜 0.5 65×，0.85N.A. 消色差物镜 0.3 47×，0.95N.A． 复消色差物镜 0.18 97×，1.25N.A. 消色差物镜 0.11 90×，1.40N.A. 复消色差物镜 0.06 视场范围是指显微镜中所观察到的试样表面区域的大小。视场范围与物镜的放大率成反 比。普通物镜初次放大实象的直径一般为 18mm，放大率为 l0×、40×、100×的物镜，其视场 的直径分别为 1.8mm、0.45mm、0.18mm。平视场物镜初次放大实象直径可达 28mm，视场 范围便大大增加。 (5) 物镜的基本类型 根据对各种象差的校正程度的不同，一般将物镜分为消色差物镜、复消色差物镜和平视 场物镜三大类。 1) 消色差物镜 消色差物镜对球差的校正限于黄绿光范围内，对色差只校正红、绿光。因此消色差物镜 仍有残余的色差，象域弯曲仍然存在。使用消色差物镜时采用黄绿光照明或加黄绿色滤色片 可以减少象差。 消色差物镜结构比较简单，成本低，视场中部象差基本上得到校正，在显微镜中最为常 用。 2) 复消色差物镜 复消色差物镜是质量很高的物镜，对色差可校正红、绿、紫三个波区(实际等于整个可 见光范围)；球差校正可达绿紫光范围，但对象域弯曲没有根本的改善。这种物镜对光源没 有任何限制，一般数值孔径较大，成象质量较高，适于高倍观察。 3) 平视场物镜 以上两种物镜都是根据对球差和色差的校正程度来分类的。而平视场物镜是以视场平 面校正的广度为标准的。平视场物镜可使象域弯曲得到很好的校正。平视场物镜又可分为 平场消色差物镜和平场复消色差物镜，对球差和色差的校正分别与消色差物镜和复消色差 物镜相同。这种物镜的特点是显著地扩大了象域的平整范围，使整个视场都比较清晰，适于 观察，更有利于照相。图 1-9 示出消色差物镜(a)和平场消色差物镜(b)的剖面图。从图中可 以看出，后者镜片比前者多得多，因此生产成本要高得多
nwn”一器 0003 图1,9消色差物镜和平场消色差物镜的剖面图 图1-10惠更斯目镜的剖面图 (五)目镜 目镜的作用是将物镜放大的实象再放大，观察时在明视距离处成一放大的虚象，照相时 底片上得到一实象。有的目镜还可以校正物镜未能完全校正的象差。 (1)度莫断Hnyg ens目镜 图1-10示出惠更斯目镜剖面图。惠更斯目镜是由两片未经过色差校正的凸透镜组成 靠近眼睛的一片称为目透镜 起放大作 用：另一 片称为场透镜 的作用使映象亮度均 在两块透镜之间的目透镜焦平面放一光栏，把显微刻度尺放在此光栏上，就能从目镜中观察 到迭加在物象上的刻度。 惠更斯目镜既可用于观察，又可用于照相。当物镜所成的象在目透镜焦点之内时成放 大虚象，可进行显微观察：当物镜所成的象在目透镜焦点之外时成放大的实象，可进行显微 摄影。惠更斯目镜因焦点在两片透镜之间，故不能单独作为放大镜使用。这 不能单独作 大镜用的目镜叫做负型目镜。惠更斯目镜没有校正象差，只适合与低、中倍消色差物镜配合 使用，它的放大倍数一般不超过15倍。惠更斯目镜结构简单，价格便宜，最为常用。 (2)雪新登(Ramsden)日镜 雷斯登目镜的焦点位于场诱镜之外，可以看作单一的凸诱镜，并能单独作为放大镜使 ()补唐目皱 补偿目镜是一种特制的可校正垂轴象差的目镜，分负型和正型两种，配合N.A.>0.65 的消色差物镜、所有的复消色差物镜及平场消色差物镜使用，可以消除后者校正不足的垂轴 色差，使得边沿也能得到清楚的映象，可用于高倍观察。补偿目镜端面标有K字和放大倍 ()广视场日峡 广视场目镜又称为平场目镜或广角目镜。它配合平视场物镜使用，可以扩大初次放大 实象的有用面积。图1-11示出一种广视场目镜的剖面图
７ 图 1-9 消色差物镜和平场消色差物镜的剖面图 图 1-10 惠更斯目镜的剖面图 (五)目镜 目镜的作用是将物镜放大的实象再放大，观察时在明视距离处成一放大的虚象，照相时 底片上得到一实象。有的目镜还可以校正物镜未能完全校正的象差。 (1) 惠更斯(Hnygoens)目镜 图 1-10 示出惠更斯目镜剖面图。惠更斯目镜是由两片未经过色差校正的凸透镜组成： 靠近眼睛的一片称为目透镜，起放大作用；另一片称为场透镜，它的作用使映象亮度均匀。 在两块透镜之间的目透镜焦平面放一光栏，把显微刻度尺放在此光栏上，就能从目镜中观察 到迭加在物象上的刻度。 惠更斯目镜既可用于观察，又可用于照相。当物镜所成的象在目透镜焦点之内时成放 大虚象，可进行显微观察；当物镜所成的象在目透镜焦点之外时成放大的实象，可进行显微 摄影。惠更斯目镜因焦点在两片透镜之间，故不能单独作为放大镜使用。这种不能单独作放 大镜用的目镜叫做负型目镜。惠更斯目镜没有校正象差，只适合与低、中倍消色差物镜配合 使用，它的放大倍数一般不超过 15 倍。惠更斯目镜结构简单，价格便宜，最为常用。 (2) 雷斯登(Ramsden)目镜 雷斯登目镜的焦点位于场透镜之外，可以看作单一的凸透镜，并能单独作为放大镜使 用。这种可以单独当作放大镜使用的目镜称为正型目镜。雷斯登目镜对象域弯曲和畸变有 较好的校正。在同样放大倍数下，视场比负型目镜小。 (3) 补偿目镜 补偿目镜是一种特制的可校正垂轴象差的目镜，分负型和正型两种，配合 N.A.＞0.65 的消色差物镜、所有的复消色差物镜及平场消色差物镜使用，可以消除后者校正不足的垂轴 色差，使得边沿也能得到清楚的映象，可用于高倍观察。补偿目镜端面标有 K 字和放大倍 数。 (4) 广视场目镜 广视场目镜又称为平场目镜或广角目镜。它配合平视场物镜使用，可以扩大初次放大 实象的有用面积。图 1-11 示出一种广视场目镜的剖面图
图1！一种广视场目镜的面图 (六)金相显微镜的照明系统 (1)光源 金相显微镜的光源通常采用钨丝白炽灯、卤素灯、碳弧灯及氙灯等。 1)钨丝白炽灯 一般中小型显微镜上都配有低压钨丝灯，工作电压一般为6~8V,用一小调压器调节 功率为15 100W。这种灯适合于金相组织的观察。 2)卤素灯（卤钨灯） 目前金相显微镜中供观察用的低压白炽钨丝灯已逐渐为卤素灯所取代。这是因为普通 灯泡中的钨丝白炽发光时，表面钨会蒸发扩散而聚集在灯泡上，使灯泡发黑，降低照明亮度， 司时打丝也会逐渐细以至渐掉。如果在打泡中加入少量的铺，通过所调“确钨循环”，就 以有效地避免上述缺陷。它的原理是：碘分子)在高温灯丝附近分解为碘原于 ,碘原子 与灯泡壁上的钨在250一1200℃的范围内可化合生成易挥发的碘化钨(W),碘化钨一扩散到 高温(>1400℃)的钨丝上又会发生分解，沉淀到灯丝上。显然，如此循环可以避免灯泡发黑， 延长灯泡的使用寿命。卤钨灯的灯泡必须用耐高温的石英玻璃制造。 3)碳弧灯 碳弧灯是利用两支暴露在空气中而相互靠近的碳棒，通电后产生强烈的电弧发出亮度 很高的光。 一般采用交流电源供电，但由此将产生电弧闪烁跳动，光源不稳定，特别不利 照相，这是它的主要缺点。 4)氙灯 氙灯是在石英玻璃管内装上钨电极并充上高压氙气，利用放电发光。其特点是光强高、 输出稳定、寿命较长。此外，氙灯光具有类似日光性质的连续光谱，可以用于彩色照相。氩 灯是金相显微观察的最新光源之一。 氙灯容易爆炸，因此使用氙灯要特别注意安全，安装或更换氙灯时要戴防护眼镜或面對 以及防护手套，使用时间至多不得超过规定时间的125%。使用新氙灯，应在起动前用酒精 把石英表面的油污擦干净。氙灯关闭后要待冷却后（一般约10mn以后）才能再次启动。尽量 成少启动次数可以显著延长氙打的使用寿命。 8
８ 图 1-11 一种广视场目镜的剖面图 (六) 金相显微镜的照明系统 (1) 光源 金相显微镜的光源通常采用钨丝白炽灯、卤素灯、碳弧灯及氙灯等。 1) 钨丝白炽灯 一般中小型显微镜上都配有低压钨丝灯，工作电压一般为 6～8V，用一小调压器调节， 功率为 15～l00W。这种灯适合于金相组织的观察。 2) 卤素灯(卤钨灯) 目前金相显微镜中供观察用的低压白炽钨丝灯巳逐渐为卤素灯所取代。这是因为普通 灯泡中的钨丝白炽发光时，表面钨会蒸发扩散而聚集在灯泡上，使灯泡发黑，降低照明亮度， 同时灯丝也会逐渐变细以至断掉。如果在灯泡中加入少量的碘，通过所谓“碘钨循环”，就可 以有效地避免上述缺陷。它的原理是：碘分子(I2)在高温灯丝附近分解为碘原于(I)，碘原子 与灯泡壁上的钨在 250～1200℃的范围内可化合生成易挥发的碘化钨(WI2)，碘化钨一扩散到 高温(＞1400℃)的钨丝上又会发生分解，沉淀到灯丝上。显然，如此循环可以避免灯泡发黑， 延长灯泡的使用寿命。卤钨灯的灯泡必须用耐高温的石英玻璃制造。 3) 碳弧灯 碳弧灯是利用两支暴露在空气中而相互靠近的碳棒，通电后产生强烈的电弧发出亮度 很高的光。一般采用交流电源供电，但由此将产生电弧闪烁跳动，光源不稳定，特别不利于 照相，这是它的主要缺点。 4) 氙灯 氙灯是在石英玻璃管内装上钨电极并充上高压氙气，利用放电发光。其特点是光强高、 输出稳定、寿命较长。此外，氙灯光具有类似日光性质的连续光谱，可以用于彩色照相。氙 灯是金相显微观察的最新光源之一。 氙灯容易爆炸，因此使用氙灯要特别注意安全，安装或更换氙灯时要戴防护眼镜或面罩 以及防护手套，使用时间至多不得超过规定时间的 125％。使用新氙灯，应在起动前用酒精 把石英表面的油污擦干净。氙灯关闭后要待冷却后(一般约 10min 以后)才能再次启动。尽量 减少启动次数可以显著延长氙灯的使用寿命
初次效大实象 =物使后焦园 物镜 我物台 图112科物照明原理图 2)魂明方法 显微镜的照明方法有临界照明和科勒照明两种 临界照明 上源的象通过聚光透镜首先聚焦在视场光栏上，然后与视场光栏的象一起 聚焦在试样表面。采用临界照明可以得到最高的亮度，但要求光源具有非常均匀的辐射表面， 否则在视场中将会看到光源的放大影象，这对于观察显微组织细节和显微照相都是很不利 的。 科照明光源的象通讨聚光透培首先聚作在利径光栏上，然后与和径光栏的象一志 聚焦在物镜的后焦面，如图112所示。 采用科勒照明可以使物镜的后焦面得到充分的明 因而可以最充分地发挥物镜的分辨率；它还可以使视场得到非常均匀的照明，对光源均匀性 的要求也不象在临界照明时那样严格。 目前，新型显微镜都己采用科勒照明，但是仍有一些老式显微镜采用临界照明。 金相显微镜的照明方式分为明场照明和暗场照明。 1)明场照明 明场照明是金相显微镜主要的照明方式。在明场照明中光源光线通过垂直照明器（图 1-13、1-14转90°角进入物镜，垂直地（或接近垂直地）射向样品表面。由样品反射回来的光 线再经过物镜到目镜。如果试样是一个抛光的镜面，反射光几乎全部进入物镜成象，在目镜 可看到明亮的 ,如果试样抛光后再经 腐 试样表面高低不平，则反射光将发生浸 射，很少进入物镜成象，在目镜中看到的是暗黑色的象 在明场观察时，通常采用两种垂直照明器。其作用都是使来自光源的光线转90°，不过 它们的光路不同，效果也不一样。一种是用平面玻璃做的垂直照明器，如图113所示。平 面玻离表面与光源光线成45角，将光线反射讲入物镜，由于投射在样品上的光线是垂直入 射，因而成象平坦、清晰。此外 ,平面玻璃反射可使光线充满物镜的后透镜，有利于充分发 挥物镜的鉴别能力，适用于中倍和高倍观察。但是，平面玻璃反射光线损失大，即使采用最 好的平面玻璃，最后到达目镜的光线也只有四分之一，损失了四分之三，故成象的亮度小， 衬度也差。另一种是用棱镜作垂直照明器，如图1-14所示。光线经棱镜全反射后略斜射于 9
９ 图 1-12 科勒照明原理图 (2) 照明方法 显微镜的照明方法有临界照明和科勒照明两种。 临界照明-----光源的象通过聚光透镜首先聚焦在视场光栏上，然后与视场光栏的象一起 聚焦在试样表面。采用临界照明可以得到最高的亮度，但要求光源具有非常均匀的辐射表面， 否则在视场中将会看到光源的放大影象，这对于观察显微组织细节和显微照相都是很不利 的。 科勒照明------光源的象通过聚光透镜首先聚焦在孔径光栏上，然后与孔径光栏的象一起 聚焦在物镜的后焦面，如图 1-12 所示。采用科勒照明可以使物镜的后焦面得到充分的照明， 因而可以最充分地发挥物镜的分辨率；它还可以使视场得到非常均匀的照明，对光源均匀性 的要求也不象在临界照明时那样严格。 目前，新型显微镜都已采用科勒照明，但是仍有一些老式显微镜采用临界照明。 (3) 照明方式与垂直照明器 金相显微镜的照明方式分为明场照明和暗场照明。 1) 明场照明 明场照明是金相显微镜主要的照明方式。在明场照明中光源光线通过垂直照明器(图 1-13、1-14)转 90°角进入物镜，垂直地(或接近垂直地)射向样品表面。由样品反射回来的光 线再经过物镜到目镜。如果试样是一个抛光的镜面，反射光几乎全部进入物镜成象，在目镜 中可看到明亮的一片。如果试样抛光后再经过腐蚀，试样表面高低不平，则反射光将发生漫 射，很少进入物镜成象，在目镜中看到的是暗黑色的象。 在明场观察时，通常采用两种垂直照明器。其作用都是使来自光源的光线转 90°，不过 它们的光路不同，效果也不一样。一种是用平面玻璃做的垂直照明器，如图 1-13 所示。平 面玻璃表面与光源光线成 45°角，将光线反射进入物镜，由于投射在样品上的光线是垂直入 射，因而成象平坦、清晰。此外，平面玻璃反射可使光线充满物镜的后透镜，有利于充分发 挥物镜的鉴别能力，适用于中倍和高倍观察。但是，平面玻璃反射光线损失大，即使采用最 好的平面玻璃，最后到达目镜的光线也只有四分之一，损失了四分之三，故成象的亮度小， 衬度也差。另一种是用棱镜作垂直照明器，如图 1-14 所示。光线经棱镜全反射后略斜射于
样品表面，可造成一定的立体感，有利于观察表面浮凸。此外，这种垂直照明能使光线全部 反射到物镜后透镜上，光线损失极少，成象亮度大，有较好的衬度。其缺点是光源光线经棱 镜全反射后经 镜后透镜的 半照射在样品表面上，而反射回来的光线经过透镜的另 半进 入目镜，也就是说物镜实际使用的孔径角减小了一半，即数值孔径减小，从而大大降低了物 镜的分辨率，因此只适用于低倍观察，一般不超过100倍。现代新型的显微镜已经不再用这 种全反射棱镜作垂直照明器。 镜 {平面玻璃 X 图1-3用平面玻璃作垂直照明器的光路图 图1-14用棱镜作垂直照明器的光路图 2)暗场照明 在鉴别非金属夹杂物等特殊用途中，往往要采用 暗场照明。暗场照明与明场照明不同（如图115所示， 其光源光线经聚光透镜后形成一束平行光线，通过暗 物 面反封镜 场环形光栏时，平行光线的中心部分被挡住，形成 束管状光束：然后经过平面玻璃反射，再经过暗场曲 面反射镜的反射，管状光束以很大的倾角投射在样品 上。这里要注意，管状光束是从物镜四周通讨的，物 镜未通过光线从而未起聚光作用。如果样品表面平 均匀，则投射光线以很大的倾角反射出去。光线不过 入物镜，在目镜中看到的是一片暗黑色。如果样品表 环形 面存在高低不平之处，则反射光线就有部分进入物镜 而形成明亮的象。这与明场照明下观察的结果正好相 反。 图1-15暗场照明的光路图 (④)光栏 金相显微镜照明系统中有两个光栏，即孔径光栏和视场光栏。 1)孔径光栏 孔径光“用来控制入射光束的粗细，其位置堂近光源。一般显微镜的孔径光栏县可以连 续调节的，当孔径光栏缩小时，进入物镜的光束变细，光线不通过物镜透镜组的边缘.球面 象差大大降低。 但是光束变细，使物镜的孔径角缩小，会使实际使用的数值孔径下降， 分辨 率降低。当孔径光栏扩大时，入射光束变粗，物镜的孔径角增大，可以使光线充满物镜的 10
１０ 样品表面，可造成一定的立体感，有利于观察表面浮凸。此外，这种垂直照明能使光线全部 反射到物镜后透镜上，光线损失极少，成象亮度大，有较好的衬度。其缺点是光源光线经棱 镜全反射后经物镜后透镜的一半照射在样品表面上，而反射回来的光线经过透镜的另一半进 入目镜，也就是说物镜实际使用的孔径角减小了一半，即数值孔径减小，从而大大降低了物 镜的分辨率，因此只适用于低倍观察，一般不超过 100 倍。现代新型的显微镜已经不再用这 种全反射棱镜作垂直照明器。 图 1-13 用平面玻璃作垂直照明器的光路图 图 1-14 用棱镜作垂直照明器的光路图 2) 暗场照明 在鉴别非金属夹杂物等特殊用途中，往往要采用 暗场照明。暗场照明与明场照明不同(如图 1-15 所示)， 其光源光线经聚光透镜后形成一束平行光线，通过暗 场环形光栏时，平行光线的中心部分被挡住，形成一 束管状光束；然后经过平面玻璃反射，再经过暗场曲 面反射镜的反射，管状光束以很大的倾角投射在样品 上。这里要注意，管状光束是从物镜四周通过的，物 镜未通过光线从而未起聚光作用。如果样品表面平滑 均匀，则投射光线以很大的倾角反射出去。光线不进 入物镜，在目镜中看到的是一片暗黑色。如果样品表 面存在高低不平之处，则反射光线就有部分进入物镜 而形成明亮的象。这与明场照明下观察的结果正好相 反。 图 1-15 暗场照明的光路图 (4) 光栏 金相显微镜照明系统中有两个光栏，即孔径光栏和视场光栏。 1) 孔径光栏 孔径光栏用来控制入射光束的粗细，其位置靠近光源。一般显微镜的孔径光栏是可以连 续调节的，当孔径光栏缩小时，进入物镜的光束变细，光线不通过物镜透镜组的边缘．球面 象差大大降低。但是光束变细，使物镜的孔径角缩小，会使实际使用的数值孔径下降，分辨 率降低。当孔径光栏扩大时，入射光束变粗，物镜的孔径角增大，可以使光线充满物镜的后