第2章光学显微分析.

1、理学院郭敏杰理学院郭敏杰l2.1材料形貌分析简介材料形貌分析简介l2.2光学几个基本知识光学几个基本知识l2.3几种常用显微镜的工作原理几种常用显微镜的工作原理l2.4光学显微分析的发展光学显微分析的发展l2.5 显微镜的成像原理显微镜的成像原理l2.6偏光显微镜偏光显微镜l物体的表面是物质存在的一种客观形式物体的表面是物质存在的一种客观形式，固体从，固体从体相体相延伸延伸到到表面表面，最终在表面形成原子及其电子分布的终端，从而最终在表面形成原子及其电子分布的终端，从而导致表面具有体相所不具备的新的特点和新的特征。导致表面具有体相所不具备的新的特点和新的特征。同时同时也破坏了物体的连续性。因此

2、研究物体的表面比研究物体也破坏了物体的连续性。因此研究物体的表面比研究物体的体相有更大的难度。的体相有更大的难度。l在表面分析中，由于在表面分析中，由于表面层的光学干涉、表面缺陷、粒度表面层的光学干涉、表面缺陷、粒度大小等表面变化为微观变化大小等表面变化为微观变化，实测结果往往与常规观察的，实测结果往往与常规观察的判断有很大的区别。判断有很大的区别。l材料的形貌也是材料分析的重要组成部分，主要分析材料的形貌也是材料分析的重要组成部分，主要分析材料材料的几何形貌的几何形貌，材料的颗粒度材料的颗粒度以及以及颗粒度的分布颗粒度的分布等方面。等方面。 l光学显微镜和电子显微镜光学显微镜和电子显微镜（扫

3、描电子显微镜（扫描电子显微镜SEMSEM；透射电子；透射电子显微镜显微镜TEMTEM；扫描隧道显微镜；扫描隧道显微镜STMSTM；原子力显微镜；原子力显微镜AFMAFM）人眼：人眼：0.2mm/250mm0.2mm/250mm光学显微镜：光学显微镜：0.2um0.2um电子显微镜：电子显微镜：0.2nm0.2nm几个重要的分辨率几个重要的分辨率) )l 人眼：人眼：通常在通常在25cm25cm的明视距离内，人眼只能分辨相距的明视距离内，人眼只能分辨相距0.1-0.1-0.2mm0.2mm的两个物体。即物体相距不到的两个物体。即物体相距不到0.1mm0.1mm的时候，人眼就会的时候，人眼就会把它

4、们看成是一个物体。这个极限即为人眼的分辨本领。把它们看成是一个物体。这个极限即为人眼的分辨本领。l显微镜的分辩本领：显微镜的分辩本领：z z0.610.61/（nsinnsin），显微镜的分），显微镜的分辩本领与光的波长成正比。光的波长越长，其分辨率越低。辩本领与光的波长成正比。光的波长越长，其分辨率越低。只有采用比较短的波长的光线，才能获得较高的放大倍数。只有采用比较短的波长的光线，才能获得较高的放大倍数。 l光学显微镜：光学显微镜：由于可见光波的波长在由于可见光波的波长在500nm500nm左右，其衍射效应左右，其衍射效应使得光学显微镜的分辨本领不能小于使得光学显微镜的分辨本领不能小于20

5、0nm200nm。l电子显微镜：电子显微镜：电子波电子波(1.50/E)(1.50/E)1/21/2nmnm。当加速电压为。当加速电压为100kV100kV时，电子的波长仅为时，电子的波长仅为0.0037nm0.0037nm；当；当E=30KeVE=30KeV时时,0.007nm,0.007nm。电子显微镜可以获得很好的高分辨率图像，电子显微镜可以获得很好的高分辨率图像，0.2-0.5nm.0.2-0.5nm.基本原理基本原理 SEM SEM是利用聚焦电子束在样品上扫描时激发的某种物理信是利用聚焦电子束在样品上扫描时激发的某种物理信号来调制一个同步扫描的显象管在相应位置的亮度而成象号来调制一个

6、同步扫描的显象管在相应位置的亮度而成象的显微镜。的显微镜。l由于电子束的波长很短，理论上电镜可以达到很由于电子束的波长很短，理论上电镜可以达到很高的分辨率高的分辨率 ；l在光学显微镜中决定分辨率的是光的波长在光学显微镜中决定分辨率的是光的波长 ，象，象差不是主要原因；差不是主要原因；l在电子显微镜中，波长已经不是决定性因素在电子显微镜中，波长已经不是决定性因素 ； 而透镜产生的象散和球差，电子波产生的色差而透镜产生的象散和球差，电子波产生的色差和衍射差是主要因素和衍射差是主要因素 ；l1515世纪中叶：放大镜（单式显微镜）世纪中叶：放大镜（单式显微镜）l15901590年荷兰年荷兰Hans a

7、nd Zacharias JanssenHans and Zacharias Janssen：复式显微：复式显微镜镜l1717世纪中叶世纪中叶R. HookeR. Hooke：设计第一台性能较好的显微镜：设计第一台性能较好的显微镜lChristiaanChristiaan Huygens Huygens：惠更斯目镜：惠更斯目镜l1919世纪德国世纪德国Ernst AbbeErnst Abbe阐明光学显微镜成像原理，光阐明光学显微镜成像原理，光学显微镜分辨本领达学显微镜分辨本领达0.20.2微米理论极限微米理论极限2.42.4光学显微分析的发展光学显微分析的发展光学显微镜的局限性光学显微镜的局限

8、性l一个世纪以来，人们一直用光学显微镜来揭示金属材料的显微组一个世纪以来，人们一直用光学显微镜来揭示金属材料的显微组织，借以弄清楚组织、成分、性能的内在联系。但光学显微镜的织，借以弄清楚组织、成分、性能的内在联系。但光学显微镜的分辨本领有限，对诸如合金中的分辨本领有限，对诸如合金中的G.P G.P 区（几十埃）无能为力区（几十埃）无能为力。光学显微镜分类光学显微镜分类l几何光学显微镜几何光学显微镜 生物显微镜生物显微镜、落射光显微镜、倒置显微镜、金相显微、落射光显微镜、倒置显微镜、金相显微 镜、暗视野显微镜等。镜、暗视野显微镜等。l物理光学显微镜物理光学显微镜 相差显微镜、相差显微镜、偏光显微

9、镜偏光显微镜、干涉显微镜、相差偏振光显、干涉显微镜、相差偏振光显 微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。l信息转换显微镜信息转换显微镜 荧光显微镜荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学 显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。l特种光学显微镜特种光学显微镜 高温显微镜、近场光学显微镜等。高温显微镜、近场光学显微镜等。光学显微镜基本结构光学显微镜基本结构：1. 照明灯照明灯(Lamp)2. 聚光器聚光器(Condenser)3. 载物台和切片夹载物台和切片夹(Mechanical

10、 stage and specimen retainer)4. 推进器推进器(Mechanical stage adjustment knob)5. 物镜物镜(Objectives)6. 粗细螺旋粗细螺旋(Course and fine focus knob)7. 目镜目镜(Oculars)8. 照相机等接口照相机等接口(Connection to camera, etc.)2.5 2.5 显微镜的成像原理显微镜的成像原理yF1F2L1L2物镜物镜目镜目镜f1f2y25cm25tgyy显微镜的放大率：显微镜的放大率：1.1.显微镜的光路图和放大率：显微镜的光路图和放大率：222525/fyyy

11、fyM2.2.光学系统的分辨本领光学系统的分辨本领光学仪器的圆孔衍射现象限制了光学仪器的圆孔衍射现象限制了光学系统分辨物体光学系统分辨物体细细节的能力。节的能力。分辨极限分辨极限: :光学系统能分辨开两物点的最短距离。光学系统能分辨开两物点的最短距离。分辨本领分辨本领: :最短距离的倒数称为光学系统的分辨本领。最短距离的倒数称为光学系统的分辨本领。ABB物镜物镜两物点两物点A相应两象点相应两象点艾里斑艾里斑瑞利判据瑞利判据A1A2A1A2A1A2= =222ZD3.3.显微镜的分辨本领显微镜的分辨本领两个物点（两个物点（A1和和A2）刚能够被分辨的条刚能够被分辨的条件是：一个物点的件是：一个物

12、点的衍射亮斑的第一暗衍射亮斑的第一暗环正好与另一个物环正好与另一个物点的衍射亮斑中央点的衍射亮斑中央点重合。此时点重合。此时Z Z为为刚能分辨的最短距刚能分辨的最短距离（即显微镜的离（即显微镜的分分辨距离辨距离）。）。l 显微镜的分辨本领：显微镜的分辨本领：显微镜能分辨最短显微镜能分辨最短距离的能力用距离的能力用1/Z1/Z表示。表示。Z Z越小，越小，分辨本领分辨本领越高。越高。根据瑞利判据，得显微镜的分辨距离：根据瑞利判据，得显微镜的分辨距离：ANnZ.61. 0sin61. 0物镜的数值孔径：物镜的数值孔径：sinnN.A 物镜物镜强度强度Z（推导略）（推导略）Z,Z,最小分辨距离最小分

13、辨距离;, ,波长波长; ;n n, ,透镜周围的折射率透镜周围的折射率;, ,透镜对物点张角的一半透镜对物点张角的一半; ;4.4.提高显微镜分辨本领的两个途径：提高显微镜分辨本领的两个途径：增大物镜的数值孔径增大物镜的数值孔径 N.A.（比如：采用油浸镜头）（比如：采用油浸镜头）盖玻片盖玻片n=1.52n=1干物镜干物镜物镜物镜(n=1.52)油浸物镜油浸物镜油油n=1.52标本标本ANnZ.61. 0sin61. 0l低倍镜、高倍镜以空气为介质，而油镜需以香柏油或石蜡油为介质。低倍镜、高倍镜以空气为介质，而油镜需以香柏油或石蜡油为介质。这样就避免了由于油镜镜孔小，而使进入物镜的光线产生折

14、射，从这样就避免了由于油镜镜孔小，而使进入物镜的光线产生折射，从而导致视野暗淡，物像不清现象的发生。而导致视野暗淡，物像不清现象的发生。4.4.提高显微镜分辨本领的两个途径：提高显微镜分辨本领的两个途径：减小照射光的波长减小照射光的波长（采用紫外线、电子射线）（采用紫外线、电子射线）ANnZ.61. 0sin61. 0l放大率即放大倍数，是光镜性能的另一重要参数。放大率即放大倍数，是光镜性能的另一重要参数。它主要有它主要有4 4、1010、4040和和100100四种，其中四种，其中4 4和和1010为低倍镜，为低倍镜，4040为高倍镜，为高倍镜，100100为油为油镜。镜。l镜头长度随倍数的

15、增加依次增长，而在不同放大镜头长度随倍数的增加依次增长，而在不同放大倍数的物镜筒上还标有不同颜色的环，以用于区倍数的物镜筒上还标有不同颜色的环，以用于区别。别。 l低倍镜、高倍镜以空气为介质，而油镜需以香柏低倍镜、高倍镜以空气为介质，而油镜需以香柏油或石蜡油为介质。这样就避免了由于油镜镜孔油或石蜡油为介质。这样就避免了由于油镜镜孔小，而使进入物镜的光线产生折射，从而导致视小，而使进入物镜的光线产生折射，从而导致视野暗淡，物像不清现象的发生。野暗淡，物像不清现象的发生。1.1.偏光显微镜的构造偏光显微镜的构造2.62.6偏光显微镜偏光显微镜l将普通光改变为将普通光改变为偏振光偏振光进行进行镜检镜

16、检的方法，以鉴别某一物质的方法，以鉴别某一物质是单折射（各向同性）或双折射性（各向异性）。是单折射（各向同性）或双折射性（各向异性）。l双折射性是晶体的基本特征。因此，偏光显微镜被广泛地双折射性是晶体的基本特征。因此，偏光显微镜被广泛地应用应用在矿物、化学等领域在矿物、化学等领域。在生物学中，很多结构也具有。在生物学中，很多结构也具有双折射性，这就需要利用偏光显微镜加以区分。双折射性，这就需要利用偏光显微镜加以区分。l在植物学方面在植物学方面，如鉴别纤维、染色体、纺锤丝、淀粉粒、，如鉴别纤维、染色体、纺锤丝、淀粉粒、细胞壁以及细胞质与组织中是否含有晶体等。在植物病理细胞壁以及细胞质与组织中是否

17、含有晶体等。在植物病理上，病菌的入侵，常引起组织内化学性质的改变，可以偏上，病菌的入侵，常引起组织内化学性质的改变，可以偏光显微术进行鉴别。光显微术进行鉴别。l在在人体及动物学方面人体及动物学方面，常利用偏光显微术来鉴别骨骷、牙，常利用偏光显微术来鉴别骨骷、牙齿、胆固醇、神经纤维、肿瘤细胞、横纹肌和毛发等。齿、胆固醇、神经纤维、肿瘤细胞、横纹肌和毛发等。 1 1、机械部分、机械部分q 镜座：承受重力镜座：承受重力q 镜臂：装镜筒，可倾斜镜臂：装镜筒，可倾斜q 载物台：承载观察物，可转动，有载物台：承载观察物，可转动，有0 0360360度刻度及游标、固定螺丝，中央圆度刻度及游标、固定螺丝，中央

18、圆孔，固定弹簧夹孔，固定弹簧夹 2 2、光学部分、光学部分q 反光镜：有平、凹两面，光线弱或用高反光镜：有平、凹两面，光线弱或用高倍物镜时用凹面倍物镜时用凹面q 下偏光镜：将自然光转变为偏光下偏光镜：将自然光转变为偏光q 锁光圈：调节进光量的大小锁光圈：调节进光量的大小q 聚光镜：将平行光线变为锥光聚光镜：将平行光线变为锥光q 镜筒：可调节升降，上接目镜，下接物镜筒：可调节升降，上接目镜，下接物镜，镜筒光学长度为物镜后焦到目镜前镜，镜筒光学长度为物镜后焦到目镜前焦焦q 目镜目镜q 上偏光镜：方向上偏光镜：方向AAAA，垂直下偏光镜，垂直下偏光镜q 勃氏镜：观察锥光时使用的放大系统勃氏镜：观察锥

19、光时使用的放大系统1.1.偏光显微镜的构造偏光显微镜的构造物镜：物镜：q 透镜越小，镜头越长，放大倍数越大。透镜越小，镜头越长，放大倍数越大。q 物镜一般由物镜一般由1 15 5片透镜组成。片透镜组成。q 放大倍数一般低倍放大倍数一般低倍4X4X，中倍，中倍10X-25X10X-25X，高倍，高倍45X45X以上，油浸以上，油浸100X100X。q 光孔角：前透镜最边缘的光线与前焦点所构成的角度光孔角：前透镜最边缘的光线与前焦点所构成的角度q 数值孔径：等于光孔角正弦乘介质折射率数值孔径：等于光孔角正弦乘介质折射率N N。数值孔径越大，放大倍数。数值孔径越大，放大倍数越高。同一放大倍数，数值孔

20、径越大，分辨率越高越高。同一放大倍数，数值孔径越大，分辨率越高q 物镜的分辨率就是显微镜的分辨率，它取决于数值孔径的大小及所用物镜的分辨率就是显微镜的分辨率，它取决于数值孔径的大小及所用光波的波长光波的波长q 光学显微镜最高分辨率为光学显微镜最高分辨率为20002000埃，最大放大倍数为埃，最大放大倍数为20002000倍。一组物镜倍。一组物镜占一台显微镜总价值的五分之一到二分之一。占一台显微镜总价值的五分之一到二分之一。1.1.偏光显微镜的构造偏光显微镜的构造二、偏光显微镜的调节与使用1 1装卸镜头装卸镜头q A A装目镜：直接插上即可装目镜：直接插上即可q B B装物镜：物镜与镜筒的接合类

21、型有弹簧夹型、销钉型及转盘装物镜：物镜与镜筒的接合类型有弹簧夹型、销钉型及转盘型。注意安装到位型。注意安装到位2 2调节视域亮度调节视域亮度q 镜头装好以后，推出上偏光，勃氏镜，打开锁光圈，转动反光镜头装好以后，推出上偏光，勃氏镜，打开锁光圈，转动反光镜对准光源，调节视域亮度。光线不要太强镜对准光源，调节视域亮度。光线不要太强3 3调节焦距调节焦距q A A放上薄片，手摸一下，一定要盖玻片朝上，用弹簧夹夹好放上薄片，手摸一下，一定要盖玻片朝上，用弹簧夹夹好q B B下降镜筒。用粗调旋扭朝前旋转，下降镜筒。用粗调旋扭朝前旋转，眼睛从侧面注视镜头，将眼睛从侧面注视镜头，将镜头下降到镜头工作距离以内，切匆使镜头与薄片接触，以免镜头下降到镜头工作距离以内，切匆使镜头与薄片接触，以免损坏镜头。损坏镜头。要锻炼能两个眼睛都睁开看。要锻炼能两个眼睛都睁开看。2.2.薄片制备薄片制备4校正中心q A A在视域内选一小点置于十字丝中心在视域内选一小点置于十字丝中心q B B转动物台转动物台180180度，注意观察小点的位度，注意观察小点的位置和轨迹置和轨迹q C C拧校正螺旋，使小点内移到中心距拧校正螺旋，使小点内移到中心距离的二分之一离的二分之一q D D手移薄片，使小点回中心。再旋物手移薄片，使小点回