材料研究方法 第2章 光学显微镜

1、一、发展历史一、发展历史罗伯特罗伯特虎克制造的显虎克制造的显微镜（微镜（1665）15世纪中叶：世纪中叶：放大镜放大镜（单式显微镜）（单式显微镜）1590年年 荷兰荷兰 Hans and Zacharias Janssen： 最早的复式显微镜最早的复式显微镜17世纪中叶世纪中叶 R. Hooke：设计第一台性能较好：设计第一台性能较好 的显微镜的显微镜 Christiaan Huygens：惠更斯目镜惠更斯目镜19世纪世纪 德国德国 Ernst Abbe：阐明：阐明光学显微镜成光学显微镜成 像原理像原理，油浸系物镜油浸系物镜，光学显微镜分，光学显微镜分 辨本领达辨本领达0.2微米微米理论极限理

2、论极限二、光学显微镜分类二、光学显微镜分类 按按成像原理成像原理可分为：可分为： 几何光学显微镜：生物、几何光学显微镜：生物、金相显微镜金相显微镜 物理光学显微镜：相差、物理光学显微镜：相差、偏光显微镜偏光显微镜 信息转换显微镜：荧光、图像分析显微镜信息转换显微镜：荧光、图像分析显微镜 特种光学显微镜特种光学显微镜 ：高温、近场光学显微镜：高温、近场光学显微镜相位差显微镜相位差显微镜透射光显微镜透射光显微镜反射光显微镜反射光显微镜解剖显微镜解剖显微镜一、光的物理性质一、光的物理性质1.1.光的波动性光的波动性 光具有波粒二象性光具有波粒二象性 波动学说解释晶体光学波动学说解释晶体光学光是横波光

3、是横波 光波的振动方向垂直传播方向光波的振动方向垂直传播方向横波电磁波谱电磁波谱 光学显光学显微镜使微镜使用可见用可见光光 390770nm2.2.自然光和偏振光自然光和偏振光 自然光自然光：在垂直于光的：在垂直于光的传播方向的平面内的传播方向的平面内的任意方向振动。任意方向振动。偏振光偏振光：只在垂直于光：只在垂直于光的传播方向的平面内的的传播方向的平面内的某一方向振动。某一方向振动。二、光与固体物质的相互作用二、光与固体物质的相互作用1.1.光的折射光的折射特点特点: : 介质的折射率与光在介质中的传播速度成反介质的折射率与光在介质中的传播速度成反比比 光在真空中的传播速度最大，光在真空中

4、的传播速度最大，N1 折射率色散折射率色散: :同一介质的折射率因为所用波长同一介质的折射率因为所用波长的不同而不同的不同而不同；对于同一介质，波长与折射率成反比；对于同一介质，波长与折射率成反比 晶体的折射率色散能力晶体的折射率色散能力 2.2.光的吸收光的吸收3.3.光的反射光的反射光的振幅随透入深度增大而减小。光的振幅随透入深度增大而减小。单向反射单向反射漫反射漫反射反射力：反射力：物质对投射在它的表面或磨光面物质对投射在它的表面或磨光面上光线的反射能力上光线的反射能力反射率：反射率： R=(Ir/Ii)100%三、光在物质中的传播三、光在物质中的传播 1.1.光性均质体光性均质体 各向

5、同性介质各向同性介质 光的传播速度不因振动方光的传播速度不因振动方向而发生改变向而发生改变 只有只有一个折射率一个折射率单折射现象单折射现象：光波的振动：光波的振动特点和振动方向不变特点和振动方向不变 等轴晶系（立方）、非等轴晶系（立方）、非晶物质晶物质2.2.光性非均质体光性非均质体 各向异性介质各向异性介质 光在非均质体中传播时，传播速度和折射率值随光在非均质体中传播时，传播速度和折射率值随振动方向的不同而发生改变振动方向的不同而发生改变。 光波入射非均质体，光波入射非均质体，除特殊方向除特殊方向( (光轴光轴) )外，分解外，分解成为振动方向互相垂直、传播速度不同、折射率不等成为振动方向

6、互相垂直、传播速度不同、折射率不等的的两种偏振光两种偏振光，这种现象就称为，这种现象就称为双折射双折射。 一轴晶：中级晶族（如四方）一轴晶：中级晶族（如四方） 二轴晶：低级晶族（如斜方）二轴晶：低级晶族（如斜方）冰洲石的双折射现象冰洲石的双折射现象oe冰洲石冰洲石 一束自然光穿过各向异性的晶体时分成两一束自然光穿过各向异性的晶体时分成两束偏振光的现象。束偏振光的现象。 例如：白纸上涂一个黑点，将方解石放例如：白纸上涂一个黑点，将方解石放在纸上，可观察到两个黑点，旋转方解石，在纸上，可观察到两个黑点，旋转方解石，一个黑点不动，另一个黑点旋转。一个黑点不动，另一个黑点旋转。 双折射现象双折射现象四

7、、光率体四、光率体 含义：含义：是表示光波在晶体中传播时，是表示光波在晶体中传播时，光光波振动方向波振动方向与相应与相应折射率折射率值之间关系的一种值之间关系的一种光学立体图形（光学立体图形（光性指示体光性指示体）。）。1.1.均质体光率体均质体光率体是一个是一个圆球体圆球体。切面为切面为圆切面圆切面，半径代，半径代表折射率表折射率2.2.一轴晶光率体一轴晶光率体常光常光：振动方向垂直光轴，且各方向折射率相等，：振动方向垂直光轴，且各方向折射率相等， No非常光非常光：振动方向平行于光轴和传播方向构成的平面，：振动方向平行于光轴和传播方向构成的平面，且折射率随振动方向而变化，且折射率随振动方向

8、而变化， Ne（1 1）一轴晶光率体的构成）一轴晶光率体的构成（2 2）主要特征）主要特征一轴正晶光率体一轴正晶光率体：以：以c轴为旋转轴的轴为旋转轴的长形旋转椭球长形旋转椭球体体，光波平行光轴振动时的折射率总是比垂直光轴，光波平行光轴振动时的折射率总是比垂直光轴振动时的折射率大，振动时的折射率大，NeNo。一轴负晶光率体一轴负晶光率体：以：以c轴为旋转轴的轴为旋转轴的扁形旋转椭球扁形旋转椭球体体，光波平行光轴振动时的折射率总是比垂直光轴，光波平行光轴振动时的折射率总是比垂直光轴振动时的折射率小，振动时的折射率小，NeNo。Ne与与No为一轴晶矿物折射率的最大值与最小值，为一轴晶矿物折射率的最

9、大值与最小值，称为称为主折射率主折射率。 Ne与与No 之差值（之差值（Ne-No）为一轴晶）为一轴晶矿物矿物最大双折率最大双折率（3 3）主要切面主要切面垂直光轴切面垂直光轴切面 圆切面圆切面，半径等于，半径等于No，光波垂直这种切面，光波垂直这种切面入射时，入射时，不发生双折射不发生双折射。折射率为。折射率为No。平行光轴切面平行光轴切面 椭圆切面椭圆切面，长短半径分别等于，长短半径分别等于No与与Ne，光，光波垂直这种切面入射时，波垂直这种切面入射时，发生双折射发生双折射，两条偏，两条偏光的振动方向分别平行椭圆切面长、短半径，光的振动方向分别平行椭圆切面长、短半径，折射率分别等于椭圆切面

10、的长、短半径。双折折射率分别等于椭圆切面的长、短半径。双折射率为射率为No和和Ne之差之差斜交光轴切面斜交光轴切面 椭圆切面椭圆切面，长短半径分别等于，长短半径分别等于No与与Ne，光波垂直这种切面入射时，光波垂直这种切面入射时，发生双折射发生双折射，两条，两条偏光的振动方向分别平行椭圆切面长、短半径，偏光的振动方向分别平行椭圆切面长、短半径，折射率分别等于椭圆切面的长、短半径折射率分别等于椭圆切面的长、短半径No与与Ne， 。双折射率为。双折射率为No和和Ne之差。之差。光波垂直入射圆切面，不发生双折射。垂直光波垂直入射圆切面，不发生双折射。垂直入射椭圆切面，发生双折射。入射椭圆切面，发生双

11、折射。五、光性方位五、光性方位 含义：含义：光率体主轴与晶体晶面、结晶轴光率体主轴与晶体晶面、结晶轴以及晶棱以及晶棱之间的关系。之间的关系。 不同晶体的光性方位不同，而同一晶体不同晶体的光性方位不同，而同一晶体的光性方位基本固定，故确定光性方位可以的光性方位基本固定，故确定光性方位可以帮助鉴定晶体。帮助鉴定晶体。一、偏光显微镜一、偏光显微镜观察透明晶体观察透明晶体1.1.偏光显微镜的构造偏光显微镜的构造1 1、目镜，、目镜，2 2、镜筒，、镜筒，3 3、勃氏镜，、勃氏镜，4 4、粗、粗动手轮，动手轮，5 5、微调手轮，、微调手轮，6 6、镜臂，、镜臂，7 7、镜、镜座，座，8 8、上偏光镜，、

12、上偏光镜，9 9、试板孔，、试板孔，1010、物、物镜，镜，1111、载物台，、载物台，1212、聚光镜，、聚光镜，1313、锁、锁光圈，光圈，1414、下偏光镜，、下偏光镜，1515、反光镜、反光镜镜臂镜臂镜座镜座下偏光镜下偏光镜：用：用PPPP代表振动方向代表振动方向锁光圈锁光圈聚光镜：凸透镜，聚光镜：凸透镜，形成锥形偏光形成锥形偏光反光镜：平、凹两面反光镜：平、凹两面载物台载物台 游标尺、弹簧夹游标尺、弹簧夹镜筒镜筒 粗动螺丝、微动螺丝粗动螺丝、微动螺丝试板孔试板孔物镜物镜复式透镜复式透镜 放大倍数放大倍数 4040数值孔径数值孔径 0.650.65机械筒长机械筒长 /0/0数值孔径数值

13、孔径表示物镜的聚光能力，放大倍数越表示物镜的聚光能力，放大倍数越高，数值孔径越大；高，数值孔径越大； 对于同一放大倍数的物镜，其数值孔径越大，对于同一放大倍数的物镜，其数值孔径越大，分辨率越高。分辨率越高。 目镜目镜 上偏光镜上偏光镜振动方向振动方向AAAA与与PPPP垂直垂直勃氏镜勃氏镜显微镜总放大倍数显微镜总放大倍数= =目镜放大倍数目镜放大倍数物镜放大倍数物镜放大倍数2.2.显微镜的工作原理显微镜的工作原理光学显微镜具有光学显微镜具有二级放大的功能二级放大的功能3.3.偏光显微镜的调节和校正偏光显微镜的调节和校正(1)(1)装卸镜头装卸镜头a. 装卸目镜装卸目镜 单目镜筒，将目镜插入镜筒

14、单目镜筒，将目镜插入镜筒 双目镜筒，还需调节两个目镜之间的距双目镜筒，还需调节两个目镜之间的距离，使眼睛间距与双筒视域一致。离，使眼睛间距与双筒视域一致。b. 装卸物镜装卸物镜 弹簧夹型弹簧夹型 转盘型转盘型 螺丝扣型螺丝扣型(2)(2)调节照明（对光）调节照明（对光） 用自然光照明，需要调节反光镜，反光镜用自然光照明，需要调节反光镜，反光镜有平面镜和凹面镜两种。有平面镜和凹面镜两种。用人工光源照明，需要调节电压旋钮，电用人工光源照明，需要调节电压旋钮，电压越高，亮度越大。压越高，亮度越大。(3)(3)调整偏光镜位置调整偏光镜位置 目镜中全黑时，则上、下偏光镜的偏振方目镜中全黑时，则上、下偏光

15、镜的偏振方向正交；而光线最强时，则相互平行。向正交；而光线最强时，则相互平行。(4)(4)调节焦距调节焦距( (对焦对焦) ) 从侧面看着镜头，先旋转微调手轮，使从侧面看着镜头，先旋转微调手轮，使它处于中间位置，再转动粗调手轮将镜筒下它处于中间位置，再转动粗调手轮将镜筒下降使物镜靠近试样玻片。然后在观察试样的降使物镜靠近试样玻片。然后在观察试样的同时慢慢上升镜筒，直至看清物体的像，再同时慢慢上升镜筒，直至看清物体的像，再左右旋动微调手轮使物体的像最清晰。左右旋动微调手轮使物体的像最清晰。 切勿在观察时用粗调手轮调节下降切勿在观察时用粗调手轮调节下降，否，否则物镜有可能碰到玻片硬物而损坏镜头。则

16、物镜有可能碰到玻片硬物而损坏镜头。(5)(5)调整载物台机械中心调整载物台机械中心 载物台通常作载物台通常作360360转动，为了防止观转动，为了防止观察目标移出视域，必须将载物台的机械中心察目标移出视域，必须将载物台的机械中心和物镜的主轴相重合。和物镜的主轴相重合。4.4.偏光显微镜的试样偏光显微镜的试样5.5.偏光显微镜的使用偏光显微镜的使用 (1)(1)单偏光镜单偏光镜 仅使用下偏光镜仅使用下偏光镜 可观察内容：晶体形态、晶粒大小、含可观察内容：晶体形态、晶粒大小、含量、解理、突起、颜色等。量、解理、突起、颜色等。针状、针状、 棒状鳞石英棒状鳞石英 雪花状鳞石英雪花状鳞石英 管柱状鳞石英

17、管柱状鳞石英 (2)(2)正交偏光镜正交偏光镜 使用使用上、下偏光镜上、下偏光镜，且振动面且振动面相互垂直相互垂直 正交偏光镜不放试样时，正交偏光镜不放试样时，视域是黑暗的；若放置试样，视域是黑暗的；若放置试样，由于晶体性质和切片方向不由于晶体性质和切片方向不同，将出现同，将出现消光消光和和干涉干涉等光等光学现象。学现象。 晶体在正交偏光镜下呈现黑暗的现象。晶体在正交偏光镜下呈现黑暗的现象。消光现象消光现象全消光全消光：转动物台：转动物台360,消光现象不改变。消光现象不改变。 均质体或非均质体垂直光轴的切片均质体或非均质体垂直光轴的切片四次消光四次消光：转动物台：转动物台360,出现四次消光

18、。出现四次消光。 非均质体除垂直光轴以外的切片为椭圆，非均质体除垂直光轴以外的切片为椭圆，长、短半径与上、下偏光振动方向长、短半径与上、下偏光振动方向AA、PP有四次平行的机会。有四次平行的机会。四次消光是非均质体的特征四次消光是非均质体的特征 干涉条件干涉条件：两束光振动频率相同，在同：两束光振动频率相同，在同一平面内振动，且存在光程差一平面内振动，且存在光程差。干涉现象干涉现象单色光干涉：明暗相间的条带单色光干涉：明暗相间的条带白光干涉：干涉色白光干涉：干涉色(3)(3)锥光镜锥光镜 正交镜基础上，正交镜基础上，加聚光镜加聚光镜，换高倍物镜，换高倍物镜 观察内容：不同方向的入射光通过晶体观

19、察内容：不同方向的入射光通过晶体后，所产生的消光和干涉现象的总和，称为后，所产生的消光和干涉现象的总和，称为干干涉图涉图（黑十字）。（黑十字）。球晶的黑十字消光现象球晶的黑十字消光现象二、金相显微镜二、金相显微镜 研究不透明物体研究不透明物体（薄片厚度在（薄片厚度在0.03mm以上）的光学性质。以上）的光学性质。1.1.金相显微镜的构造和工作原理金相显微镜的构造和工作原理1-1-灯泡；灯泡；2-2-聚光镜组聚光镜组1 1；3-3-聚光镜组聚光镜组2 2；4-4-半反射镜；半反射镜；5-5-辅助透镜辅助透镜1 1；6-6-物镜组；物镜组；7-7-反光镜；反光镜；8-8-孔径光阑；孔径光阑；9-9

20、-视域光阑；视域光阑；10-10-辅助透镜辅助透镜2 2；11,12-11,12-棱镜；棱镜；13-13-场镜；场镜；14-14-接目镜接目镜 (1)(1)光源光源：低压白炽灯：低压白炽灯, ,位于镜筒侧面位于镜筒侧面 (2)(2)孔径光阑孔径光阑：控制入射：控制入射光束的直径光束的直径，影响分，影响分 辨率和反差辨率和反差 视域光阑视域光阑：控制：控制观察区域范围观察区域范围(3)(3)垂直照明器垂直照明器: :光路行程换向光路行程换向 主要由光学系统主要由光学系统( (包括目镜、物镜等包括目镜、物镜等) )、机、机械系统械系统( (包括座架、调焦装置、样品台等包括座架、调焦装置、样品台等)

21、 )、照、照明系统明系统( (包括光源、光阑、垂直照明器包括光源、光阑、垂直照明器) ) 组成。组成。玻片玻片：光强损失大，视域亮度较弱，有害反：光强损失大，视域亮度较弱，有害反 射较多；亮度均匀、分辨率较高射较多；亮度均匀、分辨率较高 棱镜棱镜：光线损失较少，视域明亮，有害的干：光线损失较少，视域明亮，有害的干 扰反射光少；明暗不均、分辨率下降扰反射光少；明暗不均、分辨率下降垂直照明器的种类：垂直照明器的种类：(4)(4)照明方式照明方式a.a.明场照明术明场照明术 金相显微镜中常用的照明方式金相显微镜中常用的照明方式 。 光线均匀照到光片表面，平坦表面将大光线均匀照到光片表面，平坦表面将大

22、部分光反射回物镜，凹陷部分则将光散射到部分光反射回物镜，凹陷部分则将光散射到物镜外面，造成明暗反差和颜色反差。物镜外面，造成明暗反差和颜色反差。b.b.暗场照明术暗场照明术 环形光束经抛物面反环形光束经抛物面反射镜以射镜以大倾斜角投射大倾斜角投射到样到样品表面。品表面。 平坦表面的反射不能平坦表面的反射不能进入物镜，呈黑暗色；物进入物镜，呈黑暗色；物相的裂纹、凹陷、界面等相的裂纹、凹陷、界面等的部分散射光线有可能射的部分散射光线有可能射入物镜而呈现明亮色，从入物镜而呈现明亮色，从而造成了极明显的明暗反而造成了极明显的明暗反差或颜色反差。差或颜色反差。 明场相明场相 暗场相暗场相2.2.金相显微

23、镜的调节和使用金相显微镜的调节和使用 主要包括光源、照明器、镜筒、孔径主要包括光源、照明器、镜筒、孔径光阑和视场光阑的调节。光阑和视场光阑的调节。 可观察内容：试样表面相的形貌、尺可观察内容：试样表面相的形貌、尺寸、分布、颜色等。寸、分布、颜色等。取样取样镶嵌镶嵌磨光磨光浸蚀浸蚀抛光抛光代表性，锯、车、刨、代表性，锯、车、刨、切，避免过热和变形，切，避免过热和变形，规则外形，合适大小。规则外形，合适大小。机械夹持法、塑机械夹持法、塑料镶嵌法（热料镶嵌法（热- -酚酚醛，冷醛，冷- -环氧）环氧）去除表面损伤，获得平整去除表面损伤，获得平整光滑表面。粗磨（砂轮光滑表面。粗磨（砂轮机）、细磨（砂纸

24、），磨机）、细磨（砂纸），磨去上去上 一道的磨痕和变形层一道的磨痕和变形层去除细磨痕，获得平整无疵去除细磨痕，获得平整无疵镜面。机械抛光（抛光机）、镜面。机械抛光（抛光机）、电解抛光、化学抛光电解抛光、化学抛光使不同组织、晶粒、晶界受到使不同组织、晶粒、晶界受到不同程度的浸蚀，形成差别，不同程度的浸蚀，形成差别，清晰显示内部组织。化学浸蚀、清晰显示内部组织。化学浸蚀、电解浸蚀、物理蚀刻电解浸蚀、物理蚀刻一、光学显微镜的分辨能力一、光学显微镜的分辨能力 分辨率分辨率：仪器分辨两个物点的本领，常：仪器分辨两个物点的本领，常用可以辨别物体上两点间的最小距离表示。用可以辨别物体上两点间的最小距离表示。 两个物点的距离越小，则分辨率越大。两个物点的距离越小，则分辨率越大。 显微镜的分辨能力由物镜决定。显微镜的分辨能力