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,第二章光学显微分析,一、历史,1590年由荷兰的杨森父子所首创。1610年前后，意大利的伽利略和德国的J.开普勒在研究望远镜的同时，改变物镜和目镜之间的距离，得出合理的显微镜光路结构17世纪中叶，英国的R.胡克和荷兰的A.van列文胡克都对显微镜的发展作出了卓越的贡献。1665年前后，胡克在显微镜中加入粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台。这些部件经过不断改进，成为现代显微镜的基本组成部分。16731677年期间，列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜,其中9台保存至今。,19世纪70年代，德国人E.阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，并为19世纪后半叶包括R.科赫、L.巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。1850年出现了偏光显微术，1893年出现了干涉显微术，1935年荷兰物理学家F.泽尔尼克创造了相衬显微术，他为此在1953年被授予诺贝尔物理学奖金。,二、各种各样的显微镜双目立体显微镜:将被观察的物体放大，形成正立的有立体感的像，工作距离长较大的视场常用于检验、装配和修理细小的精密零件以及电子线路的焊接等工作,金相显微镜：用以观察金属磨片等非透明物体试样不透明，照明光束从上面照射非透明物体,单目与双目光学金相显微镜,干涉显微镜：由显微镜和干涉仪组合而成，基于测量干涉条纹的弯曲量而测量表面的微观不平度及透明物体的折射率不均匀性等，干涉显微镜分反射型和透射型两种类型,偏光显微镜：1、载物台之下有一个下偏光镜、使入射的自然光变为偏振光。2、物镜上有一个正交于下偏光镜的上偏光镜。3、目镜下面有一个小的镜并附有锁光圈装置称勃氏(Bertrand)镜上偏光镜与勃氏镜可以推进或拉出。,荧光显微镜：荧光物质把入射的紫外线变为可见光，使荧光显微镜对可见光成像。可以采用常规的物镜和目镜,X射线显微镜：1波长短（10-8cm数量级），因而可以达到极高的分辨率2试样可以是透明的，也可以是不透明的，3由于孔径角小，可以有很大的焦深，能采用比较厚的试样，易于实现立体摄影4X射线的吸收率与元素的原子序数有关，当存在晶状组织时，产生微衍射X射线显微镜与微衍射及微吸收技术的结合，是研究生物和冶金的一个新的有力工具。,1金相显微镜的光学放大原理,光学显微镜的放大倍数可达到16002000倍。当被观察物体AB置于物镜前焦点略远处时，物体的反射光线穿过物镜经折射后，得到一个放大的倒立实像A1B1（称为中间象）。若A1B1处于目镜焦距之内，则通过目镜观察到的物象是经目镜再次放大了的虚象A1B1。由于正常人眼观察物体时最适宜的距离是250mm（称为明视距离），因此在显微镜设计上，应让虚象A1B1正好落在距人眼250mm处，以使观察到的物体影像最清晰。,三、金相显微镜的基本原理,2金相显微镜的主要性能指标,放大倍数显微镜的放大倍数为物镜放大倍数M物和目镜放大倍数子M目的乘积，即：,式中，f物物镜的焦距，f目目镜的焦距；L显微镜的光学镜筒长度；D明视距离（250mm）。f物和f目越短或L越长，则显微镜的放大倍数越高。有的小型显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微镜短些。,显微镜的主要放大倍数一般是通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达100倍，目镜的放大倍数可达25倍。在物镜和目镜的镜筒上，均标注有放大倍数，放大倍数常用符号“”表示，如100，200等。,3、鉴别率能清晰地分辨试样上两点间最小距离d的能力d值越小，鉴别率越高。根据光学衍射原理，试样上的某一点通过物镜成象后，我们看到并不是一个真正的点象，而是具有一定尺寸的白色圆斑，四周围绕着许多衍射环。当试样上两个相邻点的距离极近时，成象后由于部分重迭而不能分清为两个点。只有当试样上两点距离达到某一d值时，才能将两点分辨清楚。显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长（）和物镜的数值孔径（A），而与目镜无关，其d值可由下式计算：,在一般显微镜中，光源的波长可通过加滤色片来改变，例如：蓝光的波长（）比黄绿光（）短，所以鉴别率较黄绿光高25%。当光源的波长一定时，可通过改变物镜的数值孔径A来调节显微镜的鉴别率。,式中，n物镜与试样之间介质的折射率；物镜孔径角的一半，即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成夹角。n越大或越大，则A越大，物镜的鉴别率就越高。由于总是小于90度的。所以在空气介质(n=1）中使用时，A一定小于1，这类物镜称干系物镜。若在物镜与试样之间充满松柏油介质（n=1.52），则A值最高可达1.4，这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜（简称油镜头）。每个物镜都有一个额定A值，与放大倍数一起标刻在物镜头上。,4、物镜的数值孔径,图22物镜孔径角,物镜的数值孔径表示物镜的聚光能力，如图22所示。数值孔径大的物镜聚光能力强，能吸收更多的光线，使物象更清晰，数值孔径A可由下式计算：,所以，显微镜的放大倍数M与物镜的数值孔径之间存在一定关系，其范围称有效放大倍数范围。在选用物镜时，必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的500倍至1000倍之间。若，则未能充分发挥物镜的鉴别率。若，则由于物镜鉴别率不足而形成“虚伪放大“，细微部分仍分辨不清。,5、放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系,透镜像差及校正透镜在成像过程中,由于透镜本身物理条件的限制,使像变形和像模糊不清.这种像的缺陷,称为光学系统的像差。单色光成像时的像差,即单色像差,如球差、彗差、像散、像场弯曲和畸变。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,即色差.色差又分为位置色差和放大率色差两种。,四、透镜成象的质量,球差,轴上物点发出的宽光束经薄透镜后不再交于一点,无论屏在何处都将出现弥散斑,度量球差大小,会聚透镜,发散透镜,可选取不同曲率的透镜或复合透镜消球差,彗差,轴外傍轴物点发出的宽光束经透镜折射后不再交于一点，而在高斯像面上形成彗星状弥散斑,注意：球差和彗差往往同时存在，消除球差后才明显观察到彗差。,像散,远离轴上物点发出的窄光束经透镜后不再交于一点,引入子午平面和弧矢平面,子午光束和弧矢光束,像场弯曲,垂直于光轴的平面物体只有在近轴区域才近似成像为一个平面，对较大物面，像面不是平面而是曲面场曲,色差,光的颜色由光的频率决定,颜色由波长决定,1.光的色视觉,理想单色光,多种单色光叠加在一起复色光,注意：白光为复色光，能形成白色光的两种单色光称为互补色：红与青绿与品红蓝与黄,注意：复色光照在某种表面由于反射或吸收率对波长具有选择性，同种复色光在不同表面的反射得到的视觉效果是不同的。,2.透镜的色差,透明介质折射率与入射波长相关,位置色差,放大率色差,单个透镜无法消除色差,用凹透镜与凸透镜粘和起来，其系统主面与透镜重合可消放大率色差,要完全消除色差,必须使透镜系统的焦距相等、焦点重合,五、金相试样的制备取样原则：研究金属及合金显微组织的金相试样应从材料或零件在使用中最重要的部分截取，或在偏析夹杂等缺陷最严重的部位截取。分析损坏原因时，则应在损坏的地方与完整的部位分别截取试样，以探究其损坏或失效的原因。对于有些产生长裂纹的部件，则应在裂纹发源处、扩展处、或裂纹尾端分别取样。对于大型的金相分析项目或较重要的金相检验项目，在报告中都应有图或文字说明试样选取的部位及方向。,横向试样常用于观察：(a)试样中心边缘组织分布的渐变情况;(b)表面渗层、硬化层、镀层等表面处理的深度及其组织；(c)表面缺陷,如裂纹、脱碳、氧化、过烧等疵病的深度;(d)非金属夹杂物在整个端面上的分布情况;(e)测定晶粒度等纵向试样常用于观察：(a)非金属夹杂物大小、变形情况及其含量；(b)带状组织的存在或消除情况；(c)塑性变形引起的晶粒或组织变形的情况,制样过程金相试样较理想的形状是圆柱体或正方体，其直径或边长约10-20mm,高约10mm.,磨光是为了消除取样时产生的变形层.金相试样经磨光后，仍有细微磨痕及表面金属形变扰动层，这将影响正确的显示组织，因而必须通过抛光加以消除。抛光的基本方法有机械抛光、化学抛光、和电解抛光。,以下为制样过程剪辑：,六、基本结构普通金相显微镜的构造主要分为三部分：机械部分、照明部分和光学部分。,XJP3A型金相显微镜的构造,1载物台2物镜3目镜4视场光栏5孔径光栏6底座,7物镜转换器8纵动手轮9横动手轮10粗调焦手轮11细调焦手轮12灯泡13变压器,XJP3A型金相显微镜光学系统工作原理,金相显微镜是一种精密光学仪器，在使用时要求细心和谨慎，严格按照使用规程进行操作。将显微镜的光源插头接在低压（6V8V）变压器上，接通电源。根据放大倍数，选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上和目镜筒内，旋动物镜转换器，使物镜进入光路并定位（可感觉到定位器定位）。将试样放在样品台上中心，使观察面朝下并用弹簧片压住。转动粗调手轮先使镜筒上升，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试样表面（但不得与之相碰），然后反向转动粗调手轮，使镜筒渐渐下降以调节焦距，当视场亮度增强时，再改用微调手轮调节，直到物象最清晰为止。适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。如果使用油浸系物镜，可在物镜的前透镜上滴一些松柏油，也可以将松柏油直接滴在试样上，油镜头用后，应立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净，再用擦镜纸擦干。,金相显微镜的操作步骤,XJP-6A光学显微镜光学适配镜CCD图像采集图像数字化处理USB口传输计算机处理显示器打印,XJP-6A数码显微镜,二向色性,晶体对相互垂直的两个光振动分量具有选择吸收的性能，称为二向色性。,将二向色性的晶体涂敷于透明薄片上，就成为偏振片。偏振片是常用的起偏器和检偏器，每个偏振片上都标有偏振化方向。,自然光I0,线偏振光I,偏振化方向,线偏振光I,起偏器,检偏器,七、特殊显微技术,物质发出的光波具有一切可能的振动方向，且各方向振动矢量的大小相等，称为自然光。当矢量固定在一个固定的平面内只沿一个固定方向作振动时，这种光称为偏振光。偏振光的光矢量振动方向和传播方向所构成的面称为振动面。自然光通过偏振棱镜或人造偏振片可获得偏振光。利用偏光原理，可对某些物质具有的偏光性进行观察的显微镜，就称为偏振光显微镜。金相显微镜的偏光装置下图是偏光显微镜结构示意图.与普通光学显微镜相比,偏光显微镜增加了两个附件-起偏镜和检偏镜.,2、,偏振光显微镜的应用1、组织与晶粒的显示各向异性金属的多晶体，其晶粒在正交偏振光下可看到不同亮度。亮度不同，表明晶粒位向不同，而具有相同亮度的两个晶粒，有相同的位向。2、多相合金的相分析(a)两相合金中一相为各向同性，另一相为各向异性，极易由偏振光鉴别。(b)两相都属各向同性。经适当的化学浸蚀后，使一相被浸蚀后具有光学各向异性，而对另一相并不发生浸蚀作用。,
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