第二章金相顯微鏡,第1節(jié)顯微鏡的成像原理第2節(jié)顯微鏡的放大率第3節(jié)透鏡的像差第4節(jié)物鏡第5節(jié)目鏡第6節(jié)照明系統(tǒng),幾何光學(xué)原理適用條件：物體的幾何尺寸遠大于光波波長阿貝成像原理（光的衍射相干原理）適用條件：物體的幾何尺寸接近或小于光波波長,2.1顯微鏡的成像原理,一幾何光學(xué)原理,二、阿貝成像學(xué)說,2.2透鏡的像差,一、球面像差,二、色差,四、像域（場）彎曲,2.3顯微鏡的物鏡,一數(shù)值孔徑(NumericalAperture)1定義：物鏡收集光線的能力。物鏡對試樣上各點的反射光收集得越多，成相質(zhì)量越好。,2表示法：數(shù)值孔徑常用N.A.表示N.A.=nsinn-物鏡與試樣之間介質(zhì)的折射率；-物鏡孔徑角的一半。,3影響因素（1）孔徑角的大小?？讖浇窃酱螅镧R前透鏡收集光線的能力就越大。孔徑角的大小取決于前透鏡的尺寸和物鏡的工作距離。（2）物鏡與試樣之間介質(zhì)的折射率。折射率越大，數(shù)值孔徑越大。干系物鏡(介質(zhì)為空氣)：n1，N.A.=nsin1，一般為0.9左右。油浸物鏡（介質(zhì)為折射率較大的物質(zhì)）：由于物鏡與試樣之間介質(zhì)的折射率增大，因而進入物鏡的光線增加，增加了數(shù)值孔徑。,孔徑角為2的油浸物鏡收集光線的能力相當(dāng)于孔徑角為21的干系物鏡。當(dāng)介質(zhì)為n1.515的松柏油時，數(shù)值孔徑值最大可達1.4左右。,二分辨率和有效放大率,1.分辨率（1）定義：指顯微鏡能清晰地分辨試樣上兩點間最小距離的能力，用最小距離d表示。（2）影響因素：主要取決于物鏡的分辨率，目鏡只能放大物鏡已分辨的細(xì)節(jié)。物鏡分辨率：d=/(2N.A.)注意：對于一定波長的入射光，物鏡的分辨率完全取決于物鏡的數(shù)值孔徑；數(shù)值孔徑越大，分辨率就越高,2有效放大率（1）定義：為了充分利用物鏡的分辨率，使操作者看清已被物鏡分辨出的組織細(xì)節(jié)，顯微鏡必須有適當(dāng)?shù)姆糯舐?，引入有效放大率的概念。?）表示方法：人眼的分辨率與物鏡的分辨率之比值，即M=d/dd-人眼在明視距離處能分辨的最小尺寸d-物鏡能分辨的最小尺寸,（3）有效放大率范圍人眼在明視距離處的分辨距離為0.150.30mm。d=0.150.30mmd=/(2N.A.)M=d/d=2N.A.d/=(0.30.6)N.A./設(shè)=0.55m(黃綠光)則近似為:500N.A.M1000N.A,有效放大率范圍:500N.A.1400)的鎢絲上又會分解出金屬鎢，沉淀到燈絲上。如此循環(huán)可以避免燈泡發(fā)黑，延長燈泡的使用壽命,3.碳弧燈（1）原理：利用兩支暴露在空氣中而相互靠近的碳棒，通電后產(chǎn)生強烈的電弧發(fā)出亮度很高的光。（2）電源：一般采用交流電源供電；（3）優(yōu)點：點光源，具有均勻的輻射表面，適合于臨界照明；（3）缺點：電弧閃爍跳動，光源不穩(wěn)定，特別不利于照相。,4.氙燈（1）原理：在石英玻璃管內(nèi)裝上鎢電極充上高壓氙氣，利用放電發(fā)光。（2）特點：光強高、輸出穩(wěn)定、壽命較長；具有類似白光性質(zhì)的連續(xù)光譜，可用于彩色照相；是金相顯微觀察的最新光源之一；容易爆炸，使用時要特別注意安全（安裝或更換時要戴防護眼鏡或面罩以及防護手套）。,二.照明方法：臨界照明與科勒照明1.臨界照明：1885年由英國愛德華.納爾遜發(fā)明（1）特點：光源的像通過聚光透鏡首先聚焦在視場光欄上，然后與孔徑光欄的像一起聚焦在試樣表面；相當(dāng)于在物平面上放置光源；（2）優(yōu)點：可以得到最高的亮度；（3）缺點：要求光源具有非常均勻的輻射表面（點光源）。（否則在視場中將會看到光源的放大影像，這對觀察顯微組織細(xì)節(jié)和顯微照相都是很不利的。）,2.科勒照明1893年，科勒(Khler)提出（1）特點：光源的像通過聚光透鏡首先聚焦在孔徑光欄上，然后與孔徑光欄的像一起聚焦在物鏡的后焦面。,克服臨界照明中物面光照度不均勻的缺點,（2）優(yōu)點1）可以使物鏡的后焦面得到充分的照明，因而可以最充分地發(fā)揮物鏡的分辨率；2）可以使視場得到非常均勻的照明，對光源均勻性的要求也不象在臨界照明時那樣嚴(yán)格。,明場照明和暗場照明1明場照明金相顯微鏡主要的照明方式。（1）照明過程:,光源光線通過垂直照明器轉(zhuǎn)90角進人物鏡，垂直地(或接近垂直地)射向樣品表面。由樣品反射回來的光線再經(jīng)過物鏡到目鏡。,三照明方式：,在明場照明中，試樣的表面通常對著顯微鏡的光軸，將光反射回物鏡中。光線通過物鏡到達試樣表面，虛的光線將反射回物鏡并通過目鏡到達眼睛，最后呈現(xiàn)明亮的反射光。如果光線照射到不能將光線以一定角度反射回光軸的地方，例如晶界、相界或其它的地方，那么光線就不能被物鏡收集，這些區(qū)域在圖像里就會呈現(xiàn)暗黑色。,明場照明示意圖,（2）特點：如果試樣是一個拋光的鏡面，反射光幾乎全部進入物鏡成像，在目鏡中可看到明亮的一片。如果試樣拋光后再經(jīng)過腐蝕，試樣表面高低不平，則反射光將發(fā)生漫射，很少進入物鏡成像，在目鏡中看到的是暗黑色的像，其結(jié)果是顯微組織呈黑色影象映襯在明亮的視野內(nèi)。,2.垂直照明器作用：使來自光源的光線偏轉(zhuǎn)90。分類：兩種，平面玻璃和棱鏡。光路不同，效果也不一樣。,1）用平面玻璃做垂直照明器,優(yōu)點：a由于投射在樣品上的光線是垂直入射，因而成像平坦、清晰；b平面玻璃反射可使光線充滿物鏡的后透鏡，有利于充分發(fā)揮物鏡的鑒別能力，適用于中倍和高倍觀察。缺點：平面玻璃反射光線損失大（光線透過玻璃而損失），即使采用最好的平面玻璃，最后到達目鏡的光線也差不多只有四分之一，故成像的亮度小，襯度也差。,2）用棱鏡做的垂直照明器：很少使用,優(yōu)點：a可造成一定的立體感，有利于觀察表面浮凸；b能使光線全部反射到物鏡后透鏡上，光線損失極少，成像亮度大，有較好的襯度。缺點：棱鏡占了鏡筒的一半，由試樣返射回來的光線，一半通過物鏡后被棱鏡阻擋而損失，也就是說物鏡實際使用的孔徑角減小了一半，即數(shù)值孔徑減小，從而大大降低了物鏡的分辨率，因此只適用于低倍觀察，一般不超過100倍,3暗場照明：用于鑒別非金屬夾雜物等特殊用途（1）照明過程,平行光束通過暗場環(huán)形光欄，中心部分被擋住，形成管狀光束；管狀光束經(jīng)過垂直照明器反射，再經(jīng)過暗場曲面反射鏡的反射，以很大的傾角投射在樣品上。,暗場照明示意圖,將明場照明下的對比反差完全顛倒過來-明場中亮的部分變暗，明場中暗的部分變亮，看起來就像自身在發(fā)光一樣。這些被高亮顯示的地方(凹坑、裂紋或腐蝕的晶界)比明場照明下更容易被鑒別。由于圖像的高反差和高亮顯示，所以經(jīng)常用來觀察明場下不能看到的一些細(xì)節(jié)。,（2）特點管狀光束從物鏡四周通過的，物鏡未通過光線從而未起聚光作用。如樣品表面平滑均勻，則投射光線以很大的傾角反射出去，光線不進入物鏡，在目鏡中看到的是一片暗黑色。如樣品表面高低不平，則反射光線就有部分進入物鏡而形成明亮的像,其結(jié)果是顯微組織以明亮的影象映襯在漆黑的視野內(nèi)。這與明場照明下觀察的結(jié)果正好相反。,為什么在暗場照明下能鑒別非金屬夾雜物的透明度呢？因為在明場照明時，金屬基體的反射光很強，使夾雜物的透明度顯不出來。而暗場照明時，金屬基體的反射光大部分不能進入物鏡，光線投射在夾雜物與金屬交界面時產(chǎn)生反射，透明的夾雜物成明亮色，不透明的夾雜物便成暗色。,四.光欄（光闌）：孔徑光欄和視場光欄1.孔徑光欄（1）定義：安裝在聚光透鏡后面，用來控制入射光束的粗細(xì)，其大小可改變?nèi)肷涔獾轿镧R的光束的孔徑角，從而改變了物鏡的數(shù)值孔徑，故稱之為孔徑光欄。,（2）對成像質(zhì)量的影響：當(dāng)孔徑光欄縮小時，球面像差降低，物鏡的孔徑角縮小，分辨率降低。當(dāng)孔徑光欄擴大時，物鏡的孔徑角增大，分辨率提高；但是由于球面像差的增加以及鏡筒內(nèi)部反射與炫光的增加，使成像質(zhì)量將降低。（3）調(diào)節(jié)：以光束充滿物鏡后透鏡為準(zhǔn)，并根據(jù)成像的清晰程度來判斷。,2.視場光欄（1）定義：視場光欄在孔徑光欄之后，用來改變顯微鏡視場的大小，因此稱之為視場光欄。（2）對成像質(zhì)量的影響：不影響物鏡的分辨率，縮小視場光欄，可以減少鏡筒內(nèi)的反射及炫光，提高成像的襯度和質(zhì)量。但視場光欄縮得太小，會使觀察范圍太窄。（3）調(diào)節(jié)：一般應(yīng)調(diào)節(jié)到與目鏡視場大小相同。,五.濾色片：顯微鏡的輔助部件主要作用：1.配合消色差物鏡使用黃綠色濾色片，可以使像差得到最大限度的校正；2.利用濾色片使用波長較短的光波，可以提高物鏡的分辨率；3.控制光源的強度。,58,第三章偏振光顯微鏡,第1節(jié)偏振光的基礎(chǔ)知識第2節(jié)偏振光的反射原理第3節(jié)偏振光裝置及調(diào)整第4節(jié)偏振光顯微鏡的應(yīng)用,3.1偏振光的基礎(chǔ)知識,1自然光光是一種電磁波，屬于橫波(振動方向與傳播方向垂直)。一切實際的光源，如太陽光、燭光、日光燈及鎢絲燈發(fā)出的光都叫自然光，其電磁波的振動在各個方向上的幾率相等。,一、自然光和偏振光,a自然光b偏振光,2偏振光自然光在穿過某些物質(zhì)，經(jīng)過反射、折射、吸收后，電磁波的振動可以被限制在一個方向上，其它方向的振動被削弱或消除。在某個確定方向上振動的光稱為偏振光。偏振光的振動方向與光波傳播方向所構(gòu)成的平面稱為振動面。,二、光的雙折射現(xiàn)象和晶體的光軸,1光的雙折射現(xiàn)象當(dāng)一束光線射入各向異性的晶體中時，要分裂為兩束沿不同方向傳播的光線，這種現(xiàn)象叫雙折射現(xiàn)象。發(fā)生雙折射的兩束光線都是偏振光。,在各向異性晶體中，存在有某些特殊方向，在這些方向上不發(fā)生雙折射，這些方向稱為晶體的光軸。有一個光軸的晶體叫一軸晶，如方解石、石英；有兩個光軸的晶體叫二軸晶，如云母、藍寶石等。,注意：光軸是在晶體內(nèi)的，光軸是一個方向,2晶體的光軸,3尋常光線：在晶體內(nèi)的傳播遵守光的折射定律，改變?nèi)肷浞较驎r傳播速度（折射率）不發(fā)生變化，用o表示。4非常光線：在晶體內(nèi)的傳播不遵守折射定律，當(dāng)入射光線方向變化時，它的傳播速度（折射率）也隨之變化，用e來表示。,三、起偏振鏡在偏光顯微鏡中能產(chǎn)生偏振光的偏振片稱起偏振鏡，即用來產(chǎn)生偏振光的裝置。如：尼科爾棱鏡、人造偏振片,1.尼科耳棱鏡由方解石晶體做成，利用方解石的雙折射現(xiàn)象獲得偏振光。（1）結(jié)構(gòu)取長度約三倍于厚度的方解石晶體，將兩端的天然面研磨成68角，然后將晶體剖開，成兩塊直角棱鏡。用加拿大樹膠將剖面粘合成一長方柱形棱鏡。加拿大樹膠為光性均質(zhì)體（非雙折射物質(zhì)），對于黃綠光:Ne1.5159n1.540S；（4）一束光經(jīng)起偏振鏡后得到振幅為F的沿PP方向振動的偏振光，入射到光性非均質(zhì)體表面上。,2討論,（3）反射光合成：,即反射后的直線偏振光不再是PP的振動方向，而是轉(zhuǎn)過一個角度：,（2）偏振光反射：,（1）偏振光分解：,（4）結(jié)果：合成后的偏振光由于其方向不再是PP的振動方向，因此有一分量（I+）可以通過與之正交的檢偏振鏡。,通過檢偏鏡的光強大小與入射光和晶軸之間的夾角有關(guān)，夾角不同，得到的光強不一樣。,（1）對于光性均質(zhì)體，(R-S)=0，I+=0，轉(zhuǎn)動載物臺一周（即改變的大小），在目鏡看到黑暗的全消光現(xiàn)象。（2）對光性非均質(zhì)體，(R-S)01）當(dāng)轉(zhuǎn)過的角為0，90，180，270時，sin2=0，產(chǎn)生消光現(xiàn)象；2）當(dāng)轉(zhuǎn)過的角為45，135，225，315時，sin21，此時光線最強；3）當(dāng)轉(zhuǎn)過的角為其他角度時，顯微組織的亮度在上兩種情況之間。故:在轉(zhuǎn)動光性非均質(zhì)體晶體一周（360）的過程中，將觀察到四次明亮和四次消光，即出現(xiàn)四明四暗現(xiàn)象。,3結(jié)論,一、偏振光裝置,3.3偏振光裝置及調(diào)整,二、偏振光裝置的調(diào)整包括起偏振鏡位置的調(diào)整、檢偏振鏡位置的調(diào)整以及載物臺中心位置的調(diào)整。1、起偏振鏡位置的調(diào)整（1）調(diào)整目的：為了使從起偏振鏡出來的偏振光振動面水平，以保證經(jīng)垂直照明器平面玻璃反射進入物鏡的偏振光強度最大，且仍為直線偏振光。,（2）調(diào)整方法1）將經(jīng)過拋光而未經(jīng)腐蝕的不銹鋼試樣（光性均質(zhì)體）放在載物臺上；2）除去檢偏振鏡，只裝起偏振鏡；3）從目境內(nèi)觀察聚焦后試樣磨面上反射光的強度，轉(zhuǎn)動起偏鏡，反射光強度發(fā)生明暗變化，當(dāng)反射光最強時，就是起偏振鏡振動軸的正確位置。,2、檢偏振鏡位置的調(diào)整（1）起偏振鏡位置調(diào)整好后，裝入檢偏振鏡，調(diào)節(jié)檢偏振鏡的位置，當(dāng)在目鏡中觀察到最暗的消光現(xiàn)象時，就是檢偏振鏡與起偏振鏡正交的位置。（2）在實際觀察中，常將檢偏振鏡作一個小角度的偏轉(zhuǎn)，以增加顯微組織的襯度。其偏轉(zhuǎn)的角度由刻度盤上的刻度指示出來。,3、載物臺中心位置的調(diào)整（1）調(diào)整目的：利用偏振光鑒別物相時，經(jīng)常需要將載物臺作360旋轉(zhuǎn)，為使觀察目標(biāo)在載物臺旋轉(zhuǎn)時不離開視域，在使用前必須調(diào)節(jié)載物臺的位置，使載物臺的機械中心與顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)主軸重合。（2）調(diào)整方法：通過載物臺上的對中螺釘進行調(diào)整。,一、材料顯微組織的顯示1、各向異性材料組織的顯示（1）應(yīng)用：利用偏振光照明，對各向異性的金屬磨面經(jīng)拋光后不腐蝕就可以看到明暗不同的晶粒，對于難腐蝕出清晰組織的材料來說是十分有利的分析途徑。,3.4偏振光顯微鏡的應(yīng)用,（2）原理根據(jù)偏振光的金相原理，顯微鏡中視野的亮度決定于入射光與試樣光軸之間的夾角，當(dāng)入射光一定時，光軸的位相就決定了視野的亮度，在各向異性的多晶體試樣上，各個晶粒的光軸位相不同，在偏振光照明下，入射光與各個晶粒光軸的夾角也就不同，在正交的偏振光下通過檢偏鏡的光強不同，因此晶粒顯示出不同的亮度。根據(jù)晶粒的明暗程度還可以判斷晶粒的取向，具有相同亮度的晶粒取向一致。,（3）舉例：球墨鑄鐵的石墨觀察,2、各向同性材料組織的顯示（1）應(yīng)用：對各向同性的材料進行深腐蝕，露出一定的原子排列面，這些晶面位向不同，用偏振光斜射到試樣表面，能看到不同亮度的晶粒。（2）原理：當(dāng)偏振光斜射到式樣表面時，會有部分光通過正交檢偏鏡，又由于式樣深腐蝕后露出了一定的原子排列面，這些晶面位向不同，故入射的偏振光與各晶粒的夾角不同，因此通過檢偏鏡的光強也不一樣，所以能看到不同亮度的晶粒。,1、各向同性與各向異性的鑒別（1）應(yīng)用：夾雜物按光學(xué)性質(zhì)可分為各向同性和各向異性兩大類，這兩類夾雜物可在偏振光下鑒別。（2）原理：1）各向同性的夾雜物在正交偏振光下，看到黑暗的消光現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)動載物臺一周時，其亮度不發(fā)生變化。2）各向異性的夾雜物在正交偏振光下不發(fā)生消光現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)動載物臺一周時會看到四次黑暗和四次最亮的現(xiàn)象。3）對某些弱各向異性的夾雜物，可使檢偏振鏡轉(zhuǎn)動一個小的角度，在偏振鏡不完全正交下觀察。在轉(zhuǎn)動載物臺時，弱各向異性的夾雜物出現(xiàn)兩次消光和兩次最亮的現(xiàn)象。,二、非金屬夾雜物的鑒定,2、夾雜物的透明度及固有色彩的顯示（1）一般顯微鏡觀察情況：在非金屬夾雜物中，不少是透明并帶有色彩的，但一般顯微鏡明場照明時，光線會透過夾雜物并在與金屬基體的交界面處反射出來，夾雜