光学显微分析1

1、第一章第一章 显微镜基础显微镜基础 基础知识基础知识 显微镜成像原理显微镜成像原理 显微镜的放大率显微镜的放大率 透镜的像差透镜的像差：目前全世界最主要的显微镜厂家主要有：奥林巴斯、蔡司、目前全世界最主要的显微镜厂家主要有：奥林巴斯、蔡司、徕卡、尼康。国内厂家主要有：江南、麦克奥迪等。徕卡、尼康。国内厂家主要有：江南、麦克奥迪等。 早在公元前一世纪，人们早在公元前一世纪，人们就已发现通过球形透明物体去观察就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时，可以使其放大成像。后来逐渐对球形玻璃表面微小物体时，可以使其放大成像。后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。能使物体放大成像的规律有了

2、认识。1590年年，荷兰和意大利的眼镜制造者荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的已经造出类似显微镜的放大仪器。放大仪器。1610年前后，意大利的伽利略和德国的开普勒年前后，意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜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，当时的光学工匠遂纷纷从事显微镜的制造、推广和路结构，当时的光学工匠遂纷纷从事显微镜的制造、推广和改进。改进。17世纪中叶，英国的胡克和荷兰的列文胡克世纪中叶，英国的胡克和荷兰的列文胡克，都对显微镜的都对显微镜的发展作出了卓越的贡献。发展作出了卓越的贡献。1

3、665年前后，胡克在显微镜中加入年前后，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。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，列文胡克年期间，列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显制成单组元放大镜式的高倍显微镜，其中九台保存至今。胡克和列文胡克利用自制的显微微镜，其中九台保存至今。胡克和列文胡克利用自制的显微镜，在动、植物机体微观结构的研究方面取得了杰出成就。镜，在动、植物机体微观结构的研究方面取得了杰出成就。19世纪，高质量消色差浸液物

4、镜的出现，世纪，高质量消色差浸液物镜的出现，使显微镜观察微细使显微镜观察微细结构的能力大为提高。结构的能力大为提高。1827年阿米奇年阿米奇第一个采用了浸液物镜。第一个采用了浸液物镜。19世纪世纪70年代，德国人阿贝年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基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，础。这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，并为并为19世纪后半叶包括科赫、巴斯德等在内的生物学家和医世纪后半叶包括科赫、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。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年

5、出现了偏光显微术；1893年出现了干涉显微术年出现了干涉显微术；1935年年荷兰物理学家荷兰物理学家泽尔尼泽尔尼克创造了相衬显微术，他为此在克创造了相衬显微术，他为此在1953年获得了诺贝尔物理学奖。年获得了诺贝尔物理学奖。 1926年汉斯年汉斯布什布什研制了第一个磁力电子透镜。研制了第一个磁力电子透镜。1931年恩斯特年恩斯特鲁斯卡和马克斯鲁斯卡和马克斯克诺尔克诺尔研制了第一台透视电研制了第一台透视电子显微镜。子显微镜。1986年年鲁斯卡鲁斯卡为此获得诺贝尔物理学奖。为此获得诺贝尔物理学奖。1938年鲁斯卡年鲁斯卡在西门子公司研制了第一台商业电子显微镜。在西门子公司研制了第一台商业电子显微镜

6、。1934年锇酸被提议用来加强图像的对比度。年锇酸被提议用来加强图像的对比度。1937年第一台扫描透射电子显微镜年第一台扫描透射电子显微镜推出。一开始研制电子显推出。一开始研制电子显微镜最主要的目的是显示在光学显微镜中无法分辨的病原体微镜最主要的目的是显示在光学显微镜中无法分辨的病原体如病毒等。如病毒等。1960年年 透射电子显微镜透射电子显微镜的加速电压越来越高来透视越来越厚的加速电压越来越高来透视越来越厚的物质。这个时期电子显微镜的物质。这个时期电子显微镜达到了可以分辨原子的能力达到了可以分辨原子的能力。1980年代人们能够使用扫描电子显微镜观察湿样本年代人们能够使用扫描电子显微镜观察湿样

7、本。1990年代中电脑越来越多地用来分析电子显微镜的图像，同年代中电脑越来越多地用来分析电子显微镜的图像，同时使用电脑也可以控制越来越复杂的透镜系统，同时电子显时使用电脑也可以控制越来越复杂的透镜系统，同时电子显微镜的操作越来越简单微镜的操作越来越简单。1 基础知识：基础知识： 发光点、波面、光线、光束、光的直线传播定律、发光点、波面、光线、光束、光的直线传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律、 全全反射及临界角反射及临界角发光点发光点 - 本身发光或被照明的物点。本身发光或被照明的物点。 既无大小又无体积但能辐既无大小又无体积但能辐射能量的几何点

8、。对于光学系统来说，把一个物体看成由许多物射能量的几何点。对于光学系统来说，把一个物体看成由许多物点组成，把这些物点都看成几何点点组成，把这些物点都看成几何点 ( 发光点发光点 ) 。把不论多大的物。把不论多大的物体均看作许多几何点组成。研究每一个几何点的成像。进而得到体均看作许多几何点组成。研究每一个几何点的成像。进而得到物体的成像规律。物体的成像规律。 波面波面 - 发光点在某一时刻发出的光形成波面发光点在某一时刻发出的光形成波面 如果周围是各向同性均匀介质，将形成以发光点为中心的球面波如果周围是各向同性均匀介质，将形成以发光点为中心的球面波或平面波或平面波 光线光线 - 波面的法线即几何

9、光学中所指的光线波面的法线即几何光学中所指的光线光束光束 - 波面法线族。发光点发出的在各向同性的均匀介质的光束为同波面法线族。发光点发出的在各向同性的均匀介质的光束为同心光束心光束光的直线传播定律光的直线传播定律 光在各向同性的均匀介质中沿直线传播。 ( 忽略衍射现象 )光的独立传播定律。光的独立传播定律。 以不同的途径传播的光同时在空间某点通过时，彼此互不影响，各路光好像其他光线不存在似地独立传播。而在各路光相遇处，其光强度是简单地相加，总是增强的。 ( 忽略干涉现象 )光的干涉： 光的反射定律与光的折射定律光的反射定律与光的折射定律 当光传至二介质的光滑分界面时遵循反射与折射定律光的反射

10、定律：光的反射定律：入射光线、法线和反入射光线、法线和反射光线在同一平面内；射光线在同一平面内；入射光线与反射光线入射光线与反射光线在法线的两侧，且有：在法线的两侧，且有： 光的折射定律：光的折射定律： 折射光线与入射光线和法线在同一平面内；折射光线与入射光线和法线在同一平面内；折射角与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两介折射角与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两介质的性质决定，当温度、压力和光线的波长一定时，其比值为质的性质决定，当温度、压力和光线的波长一定时，其比值为一常数，等于前一介质与后一介质的折射率之比，即一常数，等于前一介质与后一介质的折射率之比，即反射定律是折射定

11、律当反射定律是折射定律当 n= - n 时的特殊情况时的特殊情况光线传播的可逆性光线传播的可逆性 令 CO 为入射光线，则 OA 为反射光线（反射定律） 令 BO 为入射光线，则 OA 为折射光线（折射定律） 由此说明光的传播是可逆的，即光路的可逆性。 结论：以上定律解决了光在各向同性均匀介质中的传播和在两介质分结论：以上定律解决了光在各向同性均匀介质中的传播和在两介质分界面且改变方向的问题。因此可解决光经任何界面后继续传播的方向，界面且改变方向的问题。因此可解决光经任何界面后继续传播的方向，是光线经整个光学系统传播的基础。是光线经整个光学系统传播的基础。 全反射全反射 当光入射到光疏介质与光

12、密介质的分界面时，不会发生全反射。 当光从光密介质射向光疏介质时，逐渐增大入射角到某一值时，折射角 达90度 ，使折射光线沿界面掠射而出。若入射角继续增大，将会发生全反射。对应于折射角为90度的入射角称临界角：全反射的应用全反射的应用： 一些基本概念：光轴、顶点、共轴光学系统、非共轴光学系、实一些基本概念：光轴、顶点、共轴光学系统、非共轴光学系、实物（像）点、虚物（像）点、物像空间。物（像）点、虚物（像）点、物像空间。 光轴光轴 对于一个球面，光轴是通过球心的直线 对于一个透镜，光轴为两个球心的连线 顶点顶点 光轴与球面的交点 共轴光学系统共轴光学系统 所有的球心都在一条直线上 非共轴光学系统

13、非共轴光学系统 所有的球心不全在一条直线上 一个球面有无数光轴一个球面有无数光轴一个透镜有一个光轴一个透镜有一个光轴 共轴球面系统共轴球面系统 非共轴球面系统非共轴球面系统 实物实物(像像)点点 实际光线的交点(屏上可接收到) 虚物虚物(像像)点点 光线的延长线的交点(屏上接收不到 , 人眼可感受) 物物(像像)空间空间 物(像)所在的空间，可从 - 到 + 实物实物(像像)空间空间 实物(像)可能存在的空间 虚物虚物(像像)空间空间 虚物(像)可能存在的空间 2 显微镜成像原理显微镜成像原理（1）放大原理放大原理图（2）物像相似规律 P2德国 阿贝 用光的衍射和干涉理论解释了显微镜的成像过程

14、。注：衍射光干涉图样上的某个亮点是由不同物点的同级衍射光相干加强形成的；同一物点上的光由于衍射分解，对衍射图样上的许多光点有贡献。同一同一物点上满足相干加强的各物点上满足相干加强的各级衍射光，在产生相应的级衍射光，在产生相应的衍射亮点后继续传播，在衍射亮点后继续传播，在像平面上又相互干涉形成像平面上又相互干涉形成图像，这个图像就是物象。图像，这个图像就是物象。规律：规律：结论：结论： 物象是由直射光和衍射光互相干涉形成的，不让衍射物象是由直射光和衍射光互相干涉形成的，不让衍射光通过就不能成像；参与成像的初级干涉花样中亮点数越光通过就不能成像；参与成像的初级干涉花样中亮点数越多，相对于中心亮点面

15、对称性越好，也就是允许参与成像多，相对于中心亮点面对称性越好，也就是允许参与成像的衍射光的次数越高，则物象的相似性就越好。的衍射光的次数越高，则物象的相似性就越好。推论提高成像质量的措施：（1）光波波长越短越好（2）在物体和物镜间填充高折射率的透明介质（3）增加物镜的数值孔径3 显微镜的放大率显微镜的放大率理论上应该等于A”B”和A”B”长度的比值。为方便起见，表达为：物镜放大率M1与目镜放大率M2的乘积。D为人眼睛的明视距离；f2为目镜的焦距。L为显微镜的光学镜简长度所以有：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

16、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160190mm之间，我国规定为我国规定为160mm。物镜外壳上通常标有1600或160-等，斜线前数字表示机械镜简长度，斜线后的斜线前数字表示机械镜简长度，斜线后的“0”或或“-”表示金相表示金相显微镜不用盖玻璃片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，而不会影响成像质量。4 透镜的像差透镜的像差 实际光学系统的成像是不完善的，光线经光学系统各表面传输会实际光学系统的成像是不完善的，光线经光学系统各表面传输会形成多种像差，使成像产生模糊、变形等缺陷

17、。形成多种像差，使成像产生模糊、变形等缺陷。像差就是光学系统成像差就是光学系统成像不完善程度的描述。像不完善程度的描述。光学系统的像差可以用几何像差来描述，包括：光学系统的像差可以用几何像差来描述，包括：球差球差如图：轴上点如图：轴上点A发出的某孔径带的光线与近轴光线交于不同点，发出的某孔径带的光线与近轴光线交于不同点，形成球差。形成球差。分类：轴向球差 、垂轴球差存在球差时，在像面上会产生圆形弥散斑 规律：（1）会聚面产生负球差，发散面产生正球差 ；正透镜恒产生负球差，负透镜恒产生正球差，当入、出射光线关于透镜对称时，球差取得极值（绝对值最小），此时的透镜形状为最小球差形状。 （2）单个薄透

18、镜不可能消球差单个薄透镜不可能消球差矫正办法：1.双胶合透镜，能否校正球差要看玻璃对挑选是否合适。2. 微小间隔的双分离透镜，除校正球差外还可校正另一种像差。 色差：色差：对白光成像的光学系统，由于材料对不同波长的色光折射率不同，使各色光线具有不同的成像位置和倍率。分类：位置色差：由于同种材料对不同波长具有不同的折射率； 倍率色差：波长变化引起材料的折射率变化，继而引起光学系统的放大倍率变化，像的大小随之变化。球差与色差的比较：球差与色差的比较：彗差彗差当系统不满足等晕条件时，轴外点存在彗差。畸变畸变 畸变仅是像的变形，不影响像的清晰度。有些光学系统只对清晰度要求高，对变形的要求可以降低。实际

19、像高比理想像高大，称正畸变，反之称负畸变。根据畸变的正负，等距的同心圆将会变成不同形状的不等距的同心圆，正方网格也会变成枕形或桶形。畸变特征：畸变特征： 1. 全对称系统（结构对称，物像对称），不产生畸变；2. 孔阑与之重合的接触薄系统，不产生畸变（主光线通过系统中心，沿理想方向射出）；3. 对于单薄透镜，光阑前移负畸变，光阑后移正畸变。因此，畸变与光阑位置有关。畸变的产生：畸变的产生：像域弯曲：像域弯曲： 垂直于光轴的直立的物体经过透镜后会形成一弯曲的惊面，这称为像域弯曲。像域弯曲是几种保差综合作用的结果，以致难以在垂直放着的平胶片上得到全部清晰的成像。矫正办法：像域弯曲可以用特制的物镜校正

20、。平面消色差物镜或平面复消色差物镜都可以用来校正惊域弯曲，使成像平坦清晰。5 显微镜的物镜显微镜的物镜内容：指标（数值孔径、分辨率、放大率、焦深、内容：指标（数值孔径、分辨率、放大率、焦深、工作距离、视场范围），类型工作距离、视场范围），类型（1）数值孔径）数值孔径 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，成像质量就越好。数值孔径常以反射光收集得越多，成像质量就越好。数值孔径常以N.A.来表示，并来表示，并用下列公式进行计算：用下列公式进行计算：n物镜与试样之间介质的折射率物镜孔径角的一半数值孔径的意义：

21、决定了物镜数值孔径的意义：决定了物镜对样品细节的分辨率，进而影对样品细节的分辨率，进而影响该物镜适宜的放大倍数。响该物镜适宜的放大倍数。注：干系物镜的数值孔径不可能超过注：干系物镜的数值孔径不可能超过1，油浸物镜可以，最大可以达到，油浸物镜可以，最大可以达到1.4左右。油浸物镜在镜体上有黑圈标志。左右。油浸物镜在镜体上有黑圈标志。（2）分辨率）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。表示。分辨率决定了显微镜分辨试样上细节的程度。注：目镜只能放大物镜已经分辨开的细节，物镜不能分辨

22、的细节不可能通注：目镜只能放大物镜已经分辨开的细节，物镜不能分辨的细节不可能通过目镜的放大而变的可分辨。过目镜的放大而变的可分辨。物镜分辨率表达式：物镜分辨率表达式：所以，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所以，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。孔径；数值孔径越大，分辨率就越高。（3）物镜适宜的放大率）物镜适宜的放大率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。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

23、睛的视角应大于眼睛的极限分辨角。当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。为了使眼睛能够不太费力地分辨，视角应位于分辨，视角应位于24之间。如果取之间。如果取2为分辨角的下限，为分辨角的下限，4为分辨角的为分辨角的上限，则人眼在明视距离处能分辨的线距离上限，则人眼在明视距离处能分辨的线距离 d半径半径弧度，即，弧度，即，即人眼在明视距离处的分辨距离应不小于0.150.30mm。由于显微镜的放大率M为d与d之比，所以，假设用人眼睛最敏感的黄绿光0.55m计算，M的范围在：该范围称

24、为该范围称为有效放大率有效放大率。（4） 焦深焦深焦深是物镜对高低不平的物体能够清晰成像的能力。焦深是物镜对高低不平的物体能够清晰成像的能力。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，物镜的焦深与数值孔径之间的关系如下：规律：物镜的数值孔径越大，焦深越小。所以，高倍观察的样品应该作浅腐蚀处理。用眼睛观察时的焦深：用眼睛观察时的焦深：（5）工作距离与视场范围）工作距离与视场范围工作距离显微镜准确聚焦后，试样表面和物镜前端之间的距离。规律：物镜的放大率越高，工作距离越短。视场范围显微

25、镜准确聚焦后，所能观察到的试样表面区域的大小。规律：视场范围与物镜的放大率成反比。（6）物镜的类型）物镜的类型100.25物镜200.4物镜400.65复消色差物镜600.8物镜500.6折反射UV物镜1001.3浸水物镜规律：随着放大倍数由低到高，其结构也相应复杂。低倍物镜可以用双胶合，中倍物镜用双双胶合，高倍物镜用双胶合前片，数值孔径更大的阿贝物镜则需要浸油。基本类型基本类型：按照对各种像差校正程度的不同，一般将物镜分为消色差物消色差物镜镜、复消色差物镜复消色差物镜和平视场物镜平视场物镜三大类。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，保域

26、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像差。复消色差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，但对像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，成像质量较高，适于高倍观察。平视场物镜是以视场平面校正的广度为标准的。平视场物镜可使像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像域的平整范围，使整个视场都比较清晰，适于观察，更有利于照相。标志：PL6 显微镜的目镜显微镜的目镜作用：将物镜放大

27、的实像再放大，观察时在明视距离处作用：将物镜放大的实像再放大，观察时在明视距离处成一放大的成一放大的虚像，照相时底片上得到一实像。有的目镜还可以校正虚像，照相时底片上得到一实像。有的目镜还可以校正物镜未能完全校正的像差。物镜未能完全校正的像差。类型类型：（1）惠更斯目镜荷兰科学家惠更斯于1703年设计，有两片平凸透镜组成，前面为场镜，后面为接目镜，他们的凸面都朝向物镜一端，场镜的焦距一般是接目镜的2-3倍，镜片间距是它们焦距之和的一半。惠更斯目镜视场约为25-40度。惠更斯目镜既可用于观察，又可用于照相。属于负型目镜，不校正像差，惠更斯目镜既可用于观察，又可用于照相。属于负型目镜，不校正像差，

28、适合低倍观察。适合低倍观察。（2）冉斯登目镜于1783年设计成功，也是两片两组结构，由凸面相对，焦距相同的两个平凸透镜组成。间距为两者焦距和的2/3-3/4，其色差略大，场曲显著减小，视场约为30-45度，目前已很少采用。对像域弯曲和畸变有较好的校正。在同样倍率下，视场比负型目镜小。对像域弯曲和畸变有较好的校正。在同样倍率下，视场比负型目镜小。 （3）凯尔纳目镜是在冉斯登目镜的基础上发展而来，出现于1849年，主要改进是将单片的接目镜改为双胶合消色差透镜，大大改善了对色差和边缘像质的改善，视场达到40-50度，低倍时有着舒适的出瞳距离，但是在高倍时表现欠佳。另外，凯尔纳目镜的场镜靠近焦平面，这

29、样场镜上的灰尘便容易成像，影响观测，所以要特别注意清洁。美国一家公司在凯尔纳目镜的基础上进一步改进，研制出了RKE目镜，其边缘像质要好于经典结构。 （4）阿贝无畸变目镜(简称OR目镜)1880年由德国蔡司公司创始人之一的阿贝设计，为四片两组结构，其中场镜为三胶合透镜，接目镜为平凸透镜，该目镜成功的控制了色差和球差，并把鬼像和场曲降低到难以察觉的程度，它还具有40-50度的平坦视场和足够的出瞳距离，在各倍率都有良好表现，一直被广泛采用。 （5）爱勒弗广角目镜1917年研制成功，是其后所有广角目镜的鼻祖，结构为5片三组，视场高达60-75度。由于边缘存在像散，所以不太适合高倍设计，其在低倍时的表现

30、是非常出色的。 （6）普罗素目镜又称为对称目镜。由完全相同的两组双胶合消色差透镜组成，其参数表现与OR目镜相当，但具有更大的出瞳距离和视场，造价更低，而且适用于所有的放大倍率， 是目前应用最为广泛的目镜，曾派生出多种改进型。 （7）Nagler目镜一种于1979年由美国人设计的高档目镜，有着82度的惊人视场，优质的边缘像质和舒适的出瞳距离，以及复杂的结构和高昂的价格，和超过一公斤的重量。 7 金相显微镜的照明系统金相显微镜的照明系统（1）光源：）光源：钨丝白炽灯、卤素灯、碳弧灯、氙灯钨丝白炽灯、卤素灯、碳弧灯、氙灯特点：特点：钨丝白炽灯钨丝白炽灯68V，15100W，适合金相组织观察；卤素灯是

31、钨丝白，适合金相组织观察；卤素灯是钨丝白炽灯的升级版，更耐用，不容易变黑。炽灯的升级版，更耐用，不容易变黑。碳弧灯亮度高，但电弧闪烁厉害，不适合照相。碳弧灯亮度高，但电弧闪烁厉害，不适合照相。氙灯光强度高，稳定，寿命长，光谱连续。但易爆炸，使用维护麻氙灯光强度高，稳定，寿命长，光谱连续。但易爆炸，使用维护麻烦。烦。（2）照明方式照明方式：临界照明、科勒照明：临界照明、科勒照明临界照明临界照明的特点是光源的像通过聚光透镜首先聚焦在视场光栏上，然后光源的像通过聚光透镜首先聚焦在视场光栏上，然后与视场光栏的像一起聚焦在试样表面。与视场光栏的像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

32、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像，这对于观察显微组织细爷和显微照相都是很不利的。科勒照明科勒照明1893年，科勒(Kohler)提出了一种新的照明方法，它的特点是光源的像通过聚光透镜首先聚使在孔径光栏上，然后与孔径光栏的像一起聚焦在物镜的后焦面。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像在临界照明时那样严格。（3）明场照明和暗场照明）明场照明和暗场照明明场照明是金相显微镜主要的照明方式。在鉴别非金属夹杂物等待殊用途中，往往要采用暗场照明。金相试样的制备金相试样的制备 简

33、介简介 取样取样 镶样镶样 磨光磨光 抛光抛光 腐蚀腐蚀2.1简介简介显微分析是研究金属内部组织的最重要的方法。在金相学一百多年的发展历史中，绝大部分研究工作是借助于光学显微镜完成的。近年来，电子显微镜的重要性日益增加，但是光学显微金相技术在教学、科学和生产中仍将占据一定的位置。试样制备工作包括许多技巧试样制备工作包括许多技巧，需要有长期的实践经验才能较好地掌握；同时它也比较费时和单调比较费时和单调，往往使人感到厌烦。金相显微镜的使用之所以比金相显微镜的使用之所以比生物显微镜晚二百年，其原因就是由于长期没有解决好试样制备问题。生物显微镜晚二百年，其原因就是由于长期没有解决好试样制备问题。由于研

34、究材料各异，金相显微制样的方法是多种多样，其程序通常可分为取取样、镶样、磨光、机械抛光样、镶样、磨光、机械抛光(或电解概抛光、化学抛光或电解概抛光、化学抛光)、腐蚀、腐蚀等几个主要工序，无论哪一个工序操作不当，都会影响最终效果。因此，不应忽视任何一个环节。不适当的操作可能形成“伪组织”导致错误的分析。为能清楚的显示出组织细节，在制样过程中不使试样表层发生任何组织变化，曳尾、划痕、麻点等，有时尚需保护好试样的边缘。2.2 取样取样选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析的极其重要的一步，包括选择取样部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸选择取样部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸等。一、取样部

35、位及检验面的选择一、取样部位及检验面的选择取样部位及检验面的选择取决于被分析材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择有代表性的部位应选择有代表性的部位。生产中常规检验所用试样的取样部位、形状、尺寸都有明确的规定(详见有关行业和国家颁布标准)。零件失效分析的试样，应该根据失效的原因，分别在材料失效部位和完好部位取样，以便于对比分析。对铸件，必须从表面到心部，从上部到下部观察其组织差异，对铸件，必须从表面到心部，从上部到下部观察其组织差异，以了解偏析情况，以及缩孔疏松及冷却速度对组织的影响。因此，取样时要以了解偏析情况，以及缩孔疏松及冷却速度对组织的影响。因此，取样时要兼顾考虑，对锻轧及

36、冷变形加工的工件，应采用纵向检查面，以观察组织和兼顾考虑，对锻轧及冷变形加工的工件，应采用纵向检查面，以观察组织和夹杂物的变形情况，而热处理后的显微组织则应采用横向截面夹杂物的变形情况，而热处理后的显微组织则应采用横向截面。二、试样的截取二、试样的截取取样时，应保证不使被观察的截面由于截取而产生组织变化取样时，应保证不使被观察的截面由于截取而产生组织变化，因此对不同的材料要采用不同的截取方法：对于软材料，可以用锯、车、刨等加对于软材料，可以用锯、车、刨等加工方法；对于硬材料，可以用砂轮切片机切割或电火花切割等方法。对工方法；对于硬材料，可以用砂轮切片机切割或电火花切割等方法。对于硬而脆的材料，

37、可以用锤击方法。在大工件上取样，可用氧气切割等于硬而脆的材料，可以用锤击方法。在大工件上取样，可用氧气切割等方法。在用砂轮切割或电火花切割时，应采取冷却措施，以免试样因受方法。在用砂轮切割或电火花切割时，应采取冷却措施，以免试样因受热而引起组织变化。热而引起组织变化。三、试样尺寸三、试样尺寸金相试样的大小以便于握持、易于磨制为准。金相试样的大小以便于握持、易于磨制为准。通常显微试样为直径通常显微试样为直径15mm、高、高1520mm的圆柱体或边长为的圆柱体或边长为1525mm的立方体。的立方体。2.3 镶样镶样一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶样，但试样尺寸过小或形状试样尺寸过小或形状极

38、不规则者极不规则者，如带、丝、片、管，制备试样十分困难，就必须把试样镶嵌就必须把试样镶嵌起来起来。镶嵌分冷镶嵌冷镶嵌和热镶嵌热镶嵌二种。 金相试样镶样机目前一般多采用塑料镶嵌塑料镶嵌。镶嵌材料有热凝性塑料热凝性塑料(如胶木粉如胶木粉)、热塑性塑料热塑性塑料(如聚氯乙烯如聚氯乙烯)、冷凝性塑料、冷凝性塑料(环氧树脂加固化剂环氧树脂加固化剂)及医用牙托粉加牙托水及医用牙托粉加牙托水等。这些材料都各有其特点。胶木粉不透明，有各种颜色，而且比较硬，试样不易倒角，但抗强酸强碱的耐腐蚀性能比较差。聚氯乙烯为半透明或透明的，抗酸碱的耐腐蚀性能好，但较软。用这两种材料镶样均需用专门的镶样机加压加热才能成型。金

39、相金相试样镶样机主要包括试样镶样机主要包括加压设备加压设备、加热设备加热设备及及压模压模三部分。三部分。对温度及压力极敏感的材料对温度及压力极敏感的材料(如淬火马氏体与易发生塑性变形的软金属)，以及微裂纹的试样，应采用冷镶以及微裂纹的试样，应采用冷镶、洗涤后可在室温下固化，将不会引起试样组织的变化。机械镶嵌用夹具低熔点合金和牙托粉加牙托水镶嵌法低熔点合金镶嵌法，利用融溶的低溶点合金溶液浇铸镶嵌成合适的金相低熔点合金镶嵌法，利用融溶的低溶点合金溶液浇铸镶嵌成合适的金相试样。试样。将欲镶嵌的细小试样放置在一块平整的铁板上，用合适的金属圈或塑料圈套在试样外面，将低熔点合金注入圈内待冷却后即可。牙托粉

40、加牙托水镶嵌法，这种方法操作方便。室温下将牙托粉加适量的室温下将牙托粉加适量的牙托水调成糊状牙托水调成糊状(不能太稀不能太稀) ，将欲镶嵌的细小试样放置在一块平整的玻，将欲镶嵌的细小试样放置在一块平整的玻璃上，用合适的金属圈或塑料圈套在试样外面，室温下将牙托粉加适量璃上，用合适的金属圈或塑料圈套在试样外面，室温下将牙托粉加适量的牙托水调成糊状的牙托水调成糊状(不能太稀不能太稀) ，并迅速注入金属圈或塑料圈内待，并迅速注入金属圈或塑料圈内待30分钟分钟后即固化，目前这样方法完全可取代低熔点合金镶嵌法。后即固化，目前这样方法完全可取代低熔点合金镶嵌法。2.4 磨光磨光磨光分为粗磨与精磨(1) 粗磨

41、的目的是为整平试样，并磨成合适的形状粗磨的目的是为整平试样，并磨成合适的形状。金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能减少表层损伤。每一道磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层(至少应使前一道工序产生的变形层减少到本道工序产生的变形层深度)，而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去；同时，该道工序本身应做到尽可能减少损伤，以便于进行下一道工序。最后一道磨光工序产生的变形层深度应非常浅，保证能在下一道抛光工序中除去。图2-3为试样经过切割加工及四道磨光工序后，表面变形层厚度变化示意图。图中A、B、C均为变形层，越往里，变形量越小，D为未受损伤的组织。此过程要注意防止金属过分发热。试样经过

42、切削磨光后变形层厚度变化示意图(2) 精磨精磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一步抛光打好基础。精磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一步抛光打好基础。精磨通常是在砂纸上进行，砂纸分水砂纸和金相砂纸。通常水砂纸为SiC磨料不溶于水，金相砂纸的磨料有人造刚玉、碳化硅、氧化铁等，性均极硬，呈多边棱角，具有良好的切削性能，精磨时可用水作润滑剂进行手工湿磨或机械湿磨，通常使用粒度为240、320、400、600四种水砂纸进行磨光后即可进行抛光，对于较软金属，应用更细的金相砂纸磨光后再抛光。对于有一定数量的试样，精磨可用手工湿磨机(图2-4)进行。图2-4 手工操作砂纸湿磨设备外形图除此以

43、外还可以采用机械磨制(图2-5)将不同粒度的碳化硅砂纸分别置于边缘略有突起放了一些水的电动转盘上，则随着转盘转动，砂纸下面的水被甩出，砂纸被吸附在转盘上，即可进行机械湿磨，磨光效率能进一步提高。图2-6示出转盘式金相预磨机，使用时用水作润滑剂和冷却剂。配有微型计算机的自动磨光机，可以对磨光过程进行程序控制，整个磨光过程可以在数分钟内完成。 图2-6 自动磨样机2.5 抛光抛光抛光的目的是要尽快把磨光留下的细微磨痕成为光亮无痕的镜面抛光的目的是要尽快把磨光留下的细微磨痕成为光亮无痕的镜面，金相试样的抛光基本分为机械抛光、化学抛光、电解抛光机械抛光、化学抛光、电解抛光三类。一、机械抛光一、机械抛光

44、抛光的目的就是要尽快反磨光工序留下的变形层除去，并使抛光产生的变形层不影抛光的目的就是要尽快反磨光工序留下的变形层除去，并使抛光产生的变形层不影响显微组织的观察。响显微组织的观察。抛光操作的关键是要设法得到最大的抛光速率，以便尽快除去磨光时产生的损伤层，抛光操作的关键是要设法得到最大的抛光速率，以便尽快除去磨光时产生的损伤层，同时要使抛光产生的变形层不致影响最终观察到的组织，即不会产生假象。同时要使抛光产生的变形层不致影响最终观察到的组织，即不会产生假象。这两个要求是有矛盾的，前者要求使用较粗的磨料，但会使抛光变形层较深；后者要求使用最细的磨料，但抛光速率较低。解决这个矛盾的最好办法是把抛光分

45、为两个阶段来进行。首先是粗抛，目的是除去磨光的变形层，这一阶段应具有最大的抛光速率，粗抛本身形成的变形层是次要的考虑，不过也应尽可能小。其次是精抛(又称终抛)，其目的是除去粗抛产生的变形层，使抛光损伤减到最小。二、电解抛光二、电解抛光机械抛光时，试样表面要产生变形层，影响金相组织显示的真实性。电解抛光可以避免上述问题，因为电解抛光纯系电化学的溶解过程，没有机械力的作用，不引起金属的表面变形。对于硬度低的单相合金以及一般机械抛光难于做到的铝合金、于硬度低的单相合金以及一般机械抛光难于做到的铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、不锈钢等宜采用此法镁合金、铜合金、钛合金、不锈钢等宜采用此法。此外，电解抛光

46、对试样磨光程度要求低(一般用800号水砂纸磨平即可)，速度快，效率高。但是电解抛光对于材料化学成分的不均匀性，显微偏析特别敏感，非金属夹杂物处会被剧烈地腐蚀，因此电解抛光不适用于偏析严重的金属材料及作夹杂物检验的电解抛光不适用于偏析严重的金属材料及作夹杂物检验的金相试样。金相试样。 图2-8电解抛光装置与电解光原理 (a) 电解抛光装置 （b）电解抛光原理 图2-9 自动电解抛光仪三、化学抛光三、化学抛光化学抛光是靠化学溶解作用得到光滑的抛光表面化学抛光是靠化学溶解作用得到光滑的抛光表面。这种方法操作简单，成本低廉，不需要特别的仪器设备，对原来试样表面的光洁度要求不高，这些优点都给金相工作者带

47、来很大方便。化学抛光的原理与电解抛光类似，是化学药剂对试样表面不均匀溶解的结果化学抛光的原理与电解抛光类似，是化学药剂对试样表面不均匀溶解的结果。在溶解的过程中表层也产生一层氧化膜，但化学抛光对试样原来凸起部分的溶解速度比电解抛光慢，因此经化学抛光后的磨面较光滑但不十分平整，有波浪起伏。这种起伏一般在物镜的垂直鉴别能力之内，适于用显微镜作低倍和中倍观察。化学抛光是将试样浸在化学抛光液中，进行适当的搅动或用棉花经常擦试，经过一定时间后，就可以得到光亮的表面。化学抛光兼有化学腐蚀的作用，能显示金相组织，抛光后可直接在显微镜下观察。化学抛光液的成分随抛光材料的不同而不同。一般为混合酸溶液，常用的酸类

48、有：正化学抛光液的成分随抛光材料的不同而不同。一般为混合酸溶液，常用的酸类有：正磷酸、铬酸、硫酸、醋酸、硝酸及氢酸；为了增加金属表面的活性以利于化学抛光的磷酸、铬酸、硫酸、醋酸、硝酸及氢酸；为了增加金属表面的活性以利于化学抛光的进行，还加入一定量的过氧化氢。进行，还加入一定量的过氧化氢。化学抛光液经使用后，溶液内金属离子增多，抛光作用减弱，需经常更换新溶液。2.6 金相试样的腐蚀金相试样的腐蚀试样机械抛光后，在显微镜下，只能看到光亮的磨面及夹杂物等。要对试样的组织进行显微分析，还必须让试样经过腐蚀。常用的腐蚀方法有化学腐蚀法和电解腐蚀法(观察非金属夹杂的金相试样，直接采用光学法，不需要作任何腐

49、蚀)。一、化学腐蚀一、化学腐蚀化学腐蚀是将抛光好的样品磨光面在化学腐蚀剂中腐蚀一定时间，从而显示出其化学腐蚀是将抛光好的样品磨光面在化学腐蚀剂中腐蚀一定时间，从而显示出其试样的组织形貌。试样的组织形貌。纯金属及单相合金的腐蚀是一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列不规则，具有较高自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出来，在显微镜下可以看到多边形的晶粒。若腐蚀较深，则由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率不同，腐蚀后的显微平面与原磨面的角度不同，在垂直光线照射下，反射进入物镜的光线不同，可看到明暗不同的晶粒(如图2-10所示)。图2-10 纯金属及单相合金化学腐蚀情况示意图两相合金的腐蚀

50、主要是一个电化学腐蚀过程。两相合金的腐蚀主要是一个电化学腐蚀过程。两个组成相具有不同的电极电位，在腐蚀剂中，形成极多微小的局部电池。具有较高负电位的一相成为阳极，被溶入电解液中而逐渐凹下去；具有较高正电位的另一相为阴极，保持原来的平面高度。因而在显微镜下可清楚地显示出合金的两相。图2-11 为镁-锌合金与珠光体组织两相腐蚀后的情况。多相合金的腐蚀，主要多相合金的腐蚀，主要也是一个电化学的溶解过程。也是一个电化学的溶解过程。在腐蚀过程中腐蚀剂对各个相有不同程度的在腐蚀过程中腐蚀剂对各个相有不同程度的溶解。必须适用合适的腐蚀剂，如果一种腐蚀剂不能将全部组织显示出来，溶解。必须适用合适的腐蚀剂，如果

51、一种腐蚀剂不能将全部组织显示出来，就应采取两种或更多的腐蚀剂依次腐蚀，使之逐渐显示出各相组织，这种就应采取两种或更多的腐蚀剂依次腐蚀，使之逐渐显示出各相组织，这种方法也叫选择腐蚀法。另一种方法是薄膜染色法。此法是利用腐蚀剂与磨方法也叫选择腐蚀法。另一种方法是薄膜染色法。此法是利用腐蚀剂与磨面上各相发生化学反应，形成一层厚薄不均的膜面上各相发生化学反应，形成一层厚薄不均的膜(或反应沉淀物或反应沉淀物)，在白光，在白光的照射下，由于光的干涉使各相呈现不同的色彩，从而达到辨认各相的目的照射下，由于光的干涉使各相呈现不同的色彩，从而达到辨认各相的目的。的。二、电解腐蚀二、电解腐蚀电解腐蚀所用的设备与电

52、解抛光相同，只是工作电压和工作电流比电解抛光时小。这时在试样磨面上一般不形成一层薄膜，由于各相之间和晶粒与晶界之间电位不同，在微弱电流的作用下各相腐蚀程度不同，因而显示出组织。此法适于抗腐蚀性能强、难于用化学腐蚀法腐蚀的材料。若试样制备好后需要长期保存，则需要在腐蚀过的试样观察面上涂上一层极薄若试样制备好后需要长期保存，则需要在腐蚀过的试样观察面上涂上一层极薄的保护膜，常用的有火棉胶或指甲油等。的保护膜，常用的有火棉胶或指甲油等。 相衬显微镜又叫相差显微镜（相衬显微镜又叫相差显微镜（phasecontrast microscope）能）能把标本中细节与背景之间的光程把标本中细节与背景之间的光程差差(透过的光波产生的相位差透过的光波产生的相位差)转变为光波的振幅转变为光波的振幅差从而产生明暗对比度差从而产生明暗对比度(衬度衬度)以便于人眼观察的以便于人眼观察的特种显微镜。相衬显微镜具有不