实验一  金相显微镜的原理、构造及使用

一．实验目的

1）  了解金相显微镜的成像原理、基本构造、各主要部件及元件的作用；

2）  学习和初步掌握金相显微镜的使用和维护方法。

二．实验概述

金相分析是研究材料内部组织和缺陷的主要方法之一，它在材料研究中占有重要的地位。利用金相显微镜将试样放大100~1500倍来研究材料内部组织的方法称为金相显微分析法，是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术。显微分析可以研究材料内部的组织与其化学成分的关系；可以确定各类材料经不同加工及热处理后的显微组织；可以判别材料质量的优劣，如金属材料中诸如氧化物、硫化物等各种非金属夹杂物在显微组织中的大小、数量、分布情况及晶粒度的大小等。

在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜两大类。这里主要对常用的光学金相显微镜作一般介绍。

金相显微镜用于鉴别和分析各种材料内部的组织。原材料的检验、铸造、压力加工、热处理等一系列生产过程的质量检测与控制需要使用金相显微镜，新材料、新技术的开发以及跟踪世界高科技前沿的研究工作也需要使用金相显微镜，因此，金相显微镜是材料领域生产与研究中研究金相组织的重要工具。

三．金相显微镜的基本理论知识

3.1  显微镜的成像原理

众所周知，放大镜是最简单的一种光学仪器， 它实际上是一块会聚透镜（凸透镜），利用它可以将物体放大。其成像光学原理如图1-1所示。

当物体AB置于透镜焦距f以外时，得到倒立的放大实像A′B′（如图1-1（a）），它的位置在2 倍焦距以外。若将物体AB放在透镜焦距内，就可看到一个放大正立的虚象A′B′（如图1-1（b））。映象的长度与物体长度之比（A′B′/AB）就是放大镜的放大倍数（放大率）。若放大镜到物体之间的距离a近似等于透镜的焦距(a≈f)，而放大镜到像间的距离b近似相当于人眼明视距离（250mm），则放大镜的放大倍数为：N=b/a=250/f

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（a）实像放大

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（b）虚像放大

图1-1 放大镜光学原理图

由上式知，透镜的焦距越短，放大镜的放大倍数越大。一般采用的放大镜焦距在10~100mm范围内，因而放大倍数在2.5~25倍之间。进一步提高放大倍数，将会由于透镜焦距缩短和表面曲率过分增大而使形成的映象变得模糊不清。为了得到更高的放大倍数，就要采用显微镜，显微镜可以使放大倍数达到1500~2000倍。

显微镜不象放大镜那样由单个透镜组成，而是由两级特定透镜所组成。靠近被观察物体的透镜叫做物镜，而靠近眼睛的透镜叫做目镜。借助物镜与目镜的两次放大，就能将物体放大到很高的倍数（~2000倍）。图1-2所示是在显微镜中得到放大物像的光学原理图。

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图1-2 显微镜光学原理图

被观察的物体AB放在物镜之前距其焦距略远一些的位置，由物体反射的光线穿过物镜，经折射后得到一个放大的倒立实象_{http://oa.gdut.edu.cn/cailiao/%E6%9D%90%E6%96%99%E7%A7%91%E5%AD%A6%E5%9F%BA%E7%A1%80%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E6%8C%87%E5%AF%BC%E4%B9%A61A.files/image007.gif}，这就是我们在显微镜下研究实物时所观察到的经过二次放大后的物像。

在设计显微镜时，让物镜放大后形成的实像_{http://oa.gdut.edu.cn/cailiao/%E6%9D%90%E6%96%99%E7%A7%91%E5%AD%A6%E5%9F%BA%E7%A1%80%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E6%8C%87%E5%AF%BC%E4%B9%A61A.files/image007.gif}在距眼睛250mm处成像，这时观察者看得最清晰。

透镜成像规律是依据近轴光线得出的结论。近轴光线是指与光轴接近平行（即夹角很小）的光线。由于物理条件的限制，实际光学系统的成像与近轴光线成像不同，两者存在偏离，这种相对于近轴成像的偏离就叫做像差。像差的产生降低了光学仪器的精确性。按像差产生原因可分为两类：一类是单色光成像时的像差，叫做单色像差。如球差、慧差、像散、像场弯曲和畸变均属单色像差；另一类是多色光成像时，由于介质折射率随光的波长不同而引起的像差，叫做色差。色差又可分为位置色差和放大率色差。

透镜成像的主要缺陷就是球面差和色差（波长差）。球面差是指由于球面透镜的中心部分和边缘部分的厚度不同，造成不同折射现象，致使来自于试样表面同一点上的光线经折射后不能聚集于一点（图1-3），因此使映像模糊不清。球面像差的程度与光通过透镜的面积有关。光圈放得越大，光线通过透镜的面积越大，球面像差就越严重；反之，缩小光圈，限制边缘光线射入，使用通过透镜中心部分的光线，可减小球面像差。但光圈太小，也会影响成像的清晰度。色差的产生是由于白光中各种不同波长的光线在穿过透镜时折射率不同，其中紫色光线的波长最短，折射率最大，在距透镜最近处成像；红色光线的波长最长，折射率最小，在距透镜最远处成像；其余的黄、绿、蓝等光线则在它们之间成像。这些光线所成的像不能集中于一点，而呈现带有彩色边缘的光环。色差的存在也会降低透镜成像的清晰度，也应予以校正。通常采用单色光源（或加滤光片），也可使用复合透镜。如图1-3所示。

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（a）球面像差                      （b）色差

图1-3 透镜产生像差的示意图

3.2  显微镜的质量

显微镜的质量主要取决于透镜的质量、放大倍数和鉴别能力。

3.2.1  透镜的质量

3.2.1.1 物镜

物镜是由若干个透镜组合而成的一个透镜组。组合使用的目的是为了克服单个透镜的成像缺陷，提高物镜的光学质量。显微镜的放大作用主要取决于物镜，物镜质量的好坏直接影响显微镜映像质量，它是决定显微镜的分辨率和成像清晰程度的主要部件，所以对物镜的校正是很重要的。

（1）      物镜的类型

根据对透镜球面像差和色差的校正程度不同，可将物镜分为消色差物镜、复消色差物镜、平面消色差物镜、平面复消色差物镜、半复消色差物镜等多种。这些由若干透镜组合而成的透镜组，可以在一定程度上消除或减少透镜成像的缺陷，提高成像质量。

A．消色差物镜 (Achromatic)  是较常见的一种物镜（表1-1），由若干组曲面半径不同的一正一负胶合透镜组成，只能矫正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。同时校正了轴上点球差和近轴点慧差，这种物镜不能消除二级光谱，只校正黄、绿波区的球差、色差，未消除剩余色差和其他波区的球差、色差，并且像场弯曲仍很大，也就是说，只能得到视场中间范围清晰的像。使用时宜以黄绿光作照明光源，或在光程中插入黄绿色滤光片。 此类物镜结构简单，经济实用，常和福根目镜、校正目镜配合使用，被广泛地应用在中、低倍显微镜上。在黑白照相时，可采用绿色滤色片减少残余的轴向色差，获得对比度好的相片。

表1-1   消色差物镜

B．复消色差物镜（Apochromatic）  由多组特殊光学玻璃和荧石制成的高级透镜组组合而成。将红、蓝、黄光校正了轴向色差，消除了二级光谱，因此像质很好，但镜片多、加工和装校都较困难。色差的校正在可见光的全部波区。若加入蓝色或黄色滤光片效果更佳。它是显微镜中最优良的物镜，对球面差、色差都有较好的校正，适用于高倍放大。但仍需与补偿目镜配合使用，以消除残余色差。

C．平面消色差物镜(Plana chromatic)  采用多镜片组合的复杂光学结构，较好地校正像散和像场弯曲，使整个视场都能显示清晰，适用于显微摄影。该物镜对球差和色差的校正仍限于黄绿波区，且还存在剩余色差。

D．平面复消色差物镜(PF, Planapochromat)  除进一步作像场弯曲校正外，其它像差校正程度均与复消色差物镜相同，使映像清晰、平坦；但结构复杂，制造困难。

E．半复消色差物镜(Halfapochromatic)  部分镜片用荧石制成，故又称荧石物镜，性能比消色差物镜好，价格比复消色差物镜便宜。校正像差程度介于消色差与复消色差两种物镜之间，但其它光学性质都与后者相近；价格低廉，最好与补偿目镜配合使用。

（2）物镜的性质

A．放大倍数：物镜的放大倍数，是指物镜在线长度上放大实物倍数的能力指标。有两种表示方法，一种是直接在物镜上刻度出如8×、10×、45×等；另一种则是在物镜上刻度出该物镜的焦距f，焦距越短，放大倍数越高。前一种物镜放大倍数公式为M_物=L/f_物，L是光学镜筒长度，L值在设计时是很准确的，但实际应用时，因不好量度，常用机械镜筒长度。机械镜筒长度是指从显微镜目镜接口处之直线距离。每一物镜上都用数字标明了机械镜筒长度。

B．镜筒长度： 镜筒长度是指物镜底面到目镜顶面的距离。由于物镜的像差是依据一定位置的映像来校正的，因此物镜一定要在规定的机械镜筒长度上使用，一般显微镜的机械镜筒长度多为160mm、170mm、190mm。金相显微镜在摄影时，由于放大倍数不同，映像投射距离变化很大，因此，优良的物镜的像差是按任意镜筒长度校正的，即在无限长范围内，物镜像差均已校正。

C．数值孔径：数值孔径表征物镜的聚光能力，是物镜的重要性质之一，通常以“NA”表示。物镜的数值孔径大小决定了物镜的分辨能力（鉴别）及有效放大倍数。根据理论推导得出：

NA=nsinθ

式中 n——物镜与观察物之间的介质折射率 （空气为1，松柏油为1.515）

θ——物镜的孔径半角，如图1-4所示。

增大物镜的数值孔径有两个途径：

（1）       增大透镜的直径或减小物镜的焦距即设计短焦距的物镜，以增大孔径半角θ。但此法会导致像差增加及制造困难，一般不采用。实际上sinθ的最大值只能达到0.95。          

（2）       http://oa.gdut.edu.cn/cailiao/%E6%9D%90%E6%96%99%E7%A7%91%E5%AD%A6%E5%9F%BA%E7%A1%80%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E6%8C%87%E5%AF%BC%E4%B9%A61A.files/image009.gif增大物镜与观察物之间的折射率n。干系物镜是以空气为介质的，折射率n=1，一般用于低倍物镜。油系物镜常以松柏油（n=1.515，NA=1.4）、α-壹代溴萘（n=1.658，NA=1.60）为介质，用于高倍物镜。油物镜的数值孔径此时可达1.30~1.40，其放大倍数可达100~140倍。但干系物镜不能随便用油作为介质。

 

 

 

 

 

 

图1-4 物镜的聚光示意图

D．物镜的标记：在物镜外壳上刻有不同的标记浸液记号、物镜类别、放大率、数值孔径、机械筒长度、盖玻片厚度。油：表示浸液为松柏油；100×/1.25：表示物镜放大率为100倍，数值孔径1.25；160/0：表示机械镜筒长度为160mm；“0”表示无盖玻片。有些物镜刻有160/-：表示机械镜筒长度为160mm。“-”表示可有可无盖玻片。在物镜上刻有色圈表示物镜的放大率。高倍物镜通常都为油浸系，油镜头用“油”（或OiI，ÖL，HL）或外壳涂一黑圈来表示。国家标准“GB/﹡2609—1981 物镜的系列和色圈”的规定见表1-2。

E．物镜的鉴别能力：显微镜的鉴别能力主要决定于物镜。物镜的鉴别能力可分为平面和垂直鉴别能力。

平面鉴别能力即物镜的分辨率是指物镜所具有的将显微组织中两物点清晰区分的最小距离d的能力。如1-5所示。根据光学衍射理论可知，显微组织中的一点经物镜放大成像后并不能获得一个真正的点像，而是具有相应尺寸的以白色圆斑为中心的许多个同心衍射环组成的。中心光斑的强度最大，而衍射环的光强度随着环直径增大而逐渐减弱。试样上若有两个点，如果两点之间的距离小于d，则两点放大成像后的衍射环中心部分也相互重迭而不能清晰分辨。只有当两点间距大于或等于

 

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图1-5 鉴别率与衍射环

d才能清晰地分辨出来。d即为物镜的分辨能力（鉴别率）。两物点间最小距离d愈小，物镜的分辨能力愈高。

d=λ/2NA

式中λ——入射光的波长；

NA——物镜的数值孔径。

在显微镜中，能充分利用物镜分辨率的最低放大倍数称为有效放大倍数。人眼在明视距离（250mm）处的分辨距离为0.15~0.30mm，因此，显微镜应将物镜能分辨的最小距离d放大到0.15~0.30mm时方使其被人眼所分辨。若以M_a表示显微镜的有效放大倍数，则

dM_a=0.15~0.30mm

M_a=(0.3~0.6)NA/λ

由此可知，显微镜的有效放大倍数是由物镜的数值孔径和入射光的波长决定的。若用黄绿色光（λ≈5.5×10^-1mm）观察，则

M_a=（500~1000）NA

例如：选用NA=0.65的40倍物镜，若入射光波长λ≈5.5×10^-1mm时，则

M_a=（500~1000）NA=325~650倍

表1-2   物镜的最小数值孔径系列、参数、色圈及标志

分类， 色圈		放大倍数
		1.6	2.5	4	6.3	10	16	25	40	50	63	80	100	代号
消色差 物镜	数 值 孔 径	—	—	0.10	—	0.25	—	0.40	0.65	—	0.85	—	1.25	—
平面消色 差物镜		0.04	0.07	0.10	0.15	0.25	0.32	0.40	0.65	0.75	0.85	0.95	1.25	PC
平面半复 消色差物镜		—	—	—	0.20	0.30	0.40	0.60	0.75	—	0.90	—	1.30	PB
平面复消 色差物镜		—	—	0.16	0.20	0.30	0.40	0.65	0.80	—	0.95	—	1.32	PF
色圈		黑	黑	蓝	蓝	紫	绿	绿	黄	黄	红	红	白

因此，应选择10~20倍目镜相配合。如目镜倍数低于10倍，则未能充分发挥物镜的分辨能力；如果目镜倍数高于20倍，将会产生虚放大。

垂直鉴别能力即物镜垂直分辨率又称景深，是指物镜所具有在景深方面能清晰造像的能力，即垂直方面能清晰造像的最大景深深度，深度越大表示垂直鉴别率越大。景深h为:

h=n/(NA)M（0.15~0.30）

由此可见，物镜的垂直鉴别率与数值孔径、放大倍数成反比，要提高景深，最好选用数值孔径小的物镜或减小孔径光阑以缩小物镜的工作孔径，但这样就会降低物镜的分辨能力.。所以要调和这一矛盾只能视具体情况而定。

3.2.1.2 目镜

目镜也是显微镜的主要组成部分，它的主要作用是将由物镜放大所得的实像再次放大，从而在明视距离处形成一个清晰的虚像；因此它的质量将最后影响到物像的质量。在显微照相时，在毛玻璃处形成的是实像。

某些目镜（如补偿目镜）除了有放大作用外，还能将物镜造像过程中产生的残余像差予以校正。目镜的构造比物镜简单得多。因为通过目镜的光束接近平行状态，所以球面像差及纵向（轴向）色差不严重。设计时只考虑横向色差（放大色差）。目镜由两部组成，位于上端的透镜称目透镜，起放大作用；下端透镜称会聚透镜或场透镜，使映像亮度均匀。在上下透镜的中间或下透镜下端，设有一光栏，测微计、十字玻璃、指针等附件均安装于此。目镜的孔径角很小，故其本身的分辨率甚低，但对物镜的初步映像进行放大已经足够。常用的目镜放大倍数有：8×、10×、12.5×、16×等多种。

（1）目镜的类型

按其构造形式，一般可分为福根目镜、雷斯登目镜、补偿目镜、测微目镜、摄影目镜、广角目镜等。

A．   福根目镜  目镜可分正型目镜系和负型目镜系两类。正型目镜的主焦点在场透镜以外，虽然由二个或两个以上的透镜组合而成，但整个光学系统可视为单一的凸透镜，故在适当情况下可单独作为放大镜使用。负型目镜的主焦点是在场透镜以内，即在场透镜与目透镜两个透镜之间，显然不能单独作为放大镜使用。最简单类型的目镜的焦点在两透镜之间，属于“负透镜”。福根目镜是负型目镜系中最简单的一种。它由二块分立的没有经过色差校正的平凸透镜组成，接近人眼的一块称为目透镜，它起放大作用。另一块称为场透镜，它起使映像高度均匀的作用。在二块之间装有一光栏，位于目透镜的前焦点处。福根目镜未进行像差校正，或仅作部分球差校正，仍有一定程度的像差和畸变。其放大倍数一般不超过15倍，适应于配合中、低倍物镜，用作观察或摄影。如图1—6所示。

B．雷斯登目镜  由两个平凸透镜组成，其主焦点在下透镜（场透镜）之外，故称正透镜。雷斯登目镜对像场弯曲和畸变有良好的校正，球差也较小，但放大色差比福根目镜差。它除用于观察和摄影外，也可用于放大。 

C．补偿目镜  垂轴色差为1.5%~2%的平场消色差物镜、平场半复消色差物镜、平场复消色差物镜等，都属于垂轴色差校正不足的物镜。这些物镜需要与垂轴色差校正过头的目镜配合使用，故称这种目镜为补偿目镜。补偿目镜具有过度的校正放大色差的特性，以补偿复消色差、半复消色差物镜的残余色差。由于补偿目镜具有一定量的垂轴色差及其放大倍数较高（高达30倍），不宜与普通消色差物镜配合使用，宜与复消色差物镜或半复消色差物镜配合使用，以抵消这些物镜的残余色象差。不可与消色差物镜配用，因为有“过正”产生，会使映像产生负向色差。

	http://oa.gdut.edu.cn/cailiao/%E6%9D%90%E6%96%99%E7%A7%91%E5%AD%A6%E5%9F%BA%E7%A1%80%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E6%8C%87%E5%AF%BC%E4%B9%A61A.files/image012.gif

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（a）观察时                           （b）照相投射时

图1-6  福根（负型）目镜的造像

D．测微目镜  在目镜中加入一片有刻度的玻璃薄片，用来定量测量，或进行显微压痕长度的测量。根据测量目的可将刻度设计在直线、十字交叉线、方格网、同心圆或其他几何图形上。

E．摄影目镜  此目镜专门用于摄影或近距离投影，不能用作显微观察或单独放大。其像差校正与补偿目镜基本相同，宜与平面复消色差物镜或半复消色差物镜配用，使在规定放大倍数下具有足够平坦的映像。

F．广角目镜  一般目镜视场角度在30°左右。广角目镜是指视场角在50°以上，放大倍数在12.5倍以上的平场目镜，和视场角在40°以上，放大倍数在10倍以下的平场目镜。

（2）目镜性质

A．目镜的标记  目镜上刻有如下标记：目镜类别、放大率。例如10×平场目镜刻有p10×；p即表示平场目镜，10×为放大率，一般惠更斯目镜不刻标记。

B．目镜的放大倍数  目镜放大倍数是有规定的。表1-3为国产显微镜目镜规格。

表1-3  国产显微镜目镜系列（GB/﹡9246—1988）

3.2.2  显微镜的放大倍数及其选择

显微镜包括两组透镜——物镜和目镜。显微镜的的放大倍数主要通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达100倍，目镜的放大倍数可达25倍。

物镜的放大倍数可由下式得出：

M_物=L/F₁

式中：L——显微镜的光学筒长度（即物镜后焦点与目镜前焦点的距离）；

F₁——物镜焦距。

而A′B′再经目镜放大后的放大倍数则可由以下公式计算：

M_目=D/F₂

式中：D——人眼明视距离（250mm）；

      F₂——目镜焦距。

显微镜的总放大倍数应为物镜与目镜放大倍数的乘积，即：

M_总=M_物×M_目=250L/F_1*F₂

在使用中如选用另一台显微镜的物镜时，其机械镜筒长度必须相同，这时倍数才有效。否则，显微镜的放大倍数应予以修正，应为：

M=M_物×M_目×C

式中：C——为修正系数。修正系数可用物镜测微尺和目镜测微尺度量出来。

放大倍数用符号“×”表示，例如物镜的放大倍数为25×，目镜的放大倍数为10×，则显微镜的放大倍数为25×10=250×。放大倍数均分别标注在物镜与目镜的镜筒上。

在使用显微镜观察物体时，应根据其组织的粗细情况，选择适当的放大倍数。以细节部分观察得清晰为准，盲目追求过高的放大倍数，会带来许多缺陷。因为放大倍数与透镜的焦距有关，放大倍数越大，焦距必须越小，同时所看到物体的区域也越小。

需要注意的是有效放大倍数问题。物镜的数值孔径决定了显微镜有效放大倍数。有效放大倍数，就是人眼能够分辨的“人眼鉴别率”d′与物镜的鉴别率d间的比值，即不使人眼看到假像的最小放大倍数：

M=d′/d=2d′NA/λ

人眼鉴别率d′一般在0.15~0.30mm之间，若分别用d′=0.15mm和d′=0.30mm代入上式：

M_min=2´0.15（NA）/5500´10^-7=500（NA）

M_max=2´0.30（NA）/5500´10-7=1000（NA）

M_min~M_max之间的放大倍数范围就是显微镜的有效放大倍数。

对于显微照相时的有效放大倍数的估算，则应将人眼的分辨能力d′用底片的分辨能力d〞代替。一般底片的分辨能力d〞约为0.030mm左右，所以照相时的有效放大倍数M′为：

M′= d〞/d=2d〞(NA)/λ=2×0.030(NA) /5500×10^-7=120（NA）

如果考虑到由底片印出相片，人眼观察相片时的分辨能力为0.15mm，则M′应改为M〞：

M〞=2*0.15(N*A)/5500´10^-7=500(NA)

所以照相时的有效放大倍数在M′~M〞之间，它比观察时的有效放大倍数小。这就是说，如果用45×/0.63的物镜照相，那么它的最大有效放大倍数为500×0.63=300倍左右，所选用的照相目镜应为300/45=6~7倍，放大倍数应在300倍以下。这比观察的最大有效放大倍数（630倍）要小。

3.2.3  显微镜的鉴别能力（鉴别力）

显微镜的鉴别能力是显微镜最重要的特性，它是指显微镜对于试样上最细微部分所能获得清晰映象的能力，通常用可以辨别的物体上两点间的最小距离d来表示。被分辨的距离越短，表示显微镜的鉴别能力越高。

显微镜的鉴别能力可由下式求得：

d=λ/2NA

式中：λ——入射光源的波长；

NA——物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力。

可见，波长越短，数值孔径越大，鉴别能力就越高，在显微镜中就能看到更细微的部分。

一般物镜与物体之间的介质是空气，光线在空气中的折射率n=1，若一物镜的角孔径为60°，则其数值孔径为

NA=n×sinφ=1×sin30°=0.5

若在物镜与试样之间滴入一种松柏油（n=1.52），则其数值孔径为：

NA=1.52×sin30°=0.76

物镜在设计和使用中指定以空气为介质的称为“干系物镜”（或干物镜），以油为介质的称为“油浸系物镜”（或油物镜）。从图1-7可以看出，油物镜具有较高的数值孔径，因为透过油进入到物镜的光线比透过空气进入的多，使物镜的聚光能力增强，从而提高物镜的鉴别能力。

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（a）干物镜                     （b）油物镜

图1-7  不同介质对物镜聚光能力的比较

 

四．金相显微镜的构造和使用

4.1  金相显微镜的构造

4.1.1 光学系统

物镜和目镜是光学系统中最重要的光学器件，在前述内容中已专门进行了介绍。以下结合整体构造和本实验进行的需要，将教学实验中常用XJB—1型的光学系统作简要介绍。

本显微镜主要观察的是不透明物体，用以研究材料的金相组织。由于被观察的试样大小不一，因此，将载物台位于镜架上方，以利于试样复置并能使试样表面与仪器光轴的垂直。同时，被观察物体是不透明的材料表面，所以必须利用电源照明才能使用。

显微镜的光路比放大镜复杂（图1-8），光线由灯泡1发出，经聚光镜组2会聚，由反光镜子8将光线均匀半聚集在孔径光栏9上，经过聚光镜组3，再将光线透过半反射镜4聚集在物镜组6的后焦面，这样就使物体得到库勒照明。由物体表面反射回来的光线复经过物镜组6和辅助透镜5到半反射镜4而折转向辅助透镜11，以及棱镜12与棱镜13等一系列光学系统造成倒立放大的实像，由目镜再度放大，这就是观察者从目镜视场里所看到的物体表面放大的像。

1．   http://oa.gdut.edu.cn/cailiao/%E6%9D%90%E6%96%99%E7%A7%91%E5%AD%A6%E5%9F%BA%E7%A1%80%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E6%8C%87%E5%AF%BC%E4%B9%A61A.files/image015.jpg灯泡

2．   聚光镜组

3．   聚光镜组

4．   半反光镜

5．   辅助透镜

6．   物镜组

7．   试样

8．   反光镜

9．   孔径光栏

10. 视场光栏

11．辅助透镜

12．棱镜

13．棱镜

14．场镜

15．目镜

图1—8  XJB—1型金相显微镜的光学系统

4.1.2 仪器的机械结构

本显微镜的机械结构紧凑，精度较高。粗、微调机构集中在仪器的下方，重心较低，安放稳定。载物台位于弧形镜臂上面，试样为复置安放，能胜任体积宽广的被观察物体。目镜管呈45°倾斜，工作者观察舒适。照明附设在圆形底盘内，便于移放。各部分构造分述如下，见图1—9。

（1）底座  起支撑整个镜体的作用。为了防止震动，有的在底座上装有四只防震橡皮脚。

（2）照明7  照明设备装于底盘内，在底座内装有一低压（6~8V，15W）灯泡作为光源，由变压器降压供电，靠调节次级电压（6~8V）来改变灯光的亮度，灯座具有偏心环，为调整光源后固定灯座于底盘用。光源前有聚光镜组（一），反光镜及孔径光栏，安装在圆形底盘上，聚光镜组（二）及视场光栏安装在物镜支架上，它们组成显微镜的照明系统，使试样表面获得充分、均匀的照明。

（3）粗动调焦装置6  粗动手轮安装在镜体齿轮箱的两侧，位置适合观察者手臂支撑于工作桌上操作。手轮传动内部的齿轮，使支承载物台的弯臂作上下升降。在粗动手轮之一侧，附设有制动环，用以紧固调焦正确后的载物台位置，使不易受到偶然震动而变异，尤以用于显微照相时的必要有效装置。如需紧固载物台不动，可将制动环按右螺旋方向旋紧，如需再调节粗动手轮，则必须先将此环以反方向旋松，否则易损坏机件。

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1．载物台

2．物镜

3．转换器

4．传动箱

5．微动调焦手轮

6．粗动调焦手轮

7．光源

8．偏心圈

9．样品

10．目镜

11．目镜管

12．固定螺钉

13．调节螺钉

14．视场光栏

15．孔径光栏

 

图1—9  XJB—1型金相显微镜外形结构图

（4）微动调焦装置5  微动手轮与粗动手轮同轴，用于使显微镜本体沿着滑轨缓慢移动。左侧的手轮上刻有分度，每分格表示微动升降0.002mm，机体齿轮箱刻有二条白线，贴连支架上有一条白线，是用以表示微动升降的极限范围，当微动手轮旋到极限位置时，微动手轮就自动被限制住，此时，应该倒转旋动使用，否则将会损坏机件。

（5）载物台1  放置试样用的机械载物台是显微镜的重要部件。常见的载物台为圆形，位于镜架上方，利于放置各种几何形状试样进行观察，移动结构采用粘性油膜与托架联结，托架与台面之间有方形导架，引导载物台在水平面上一定范围内作十字定向移动，当移到极限位置时有限止作用，避免载物台滑出托架之外。载物台必须牢固，不易发生震动；其工作台位置必须与显微镜光轴垂直；载物台移动时试样的像应基本清晰。载物台有圆形和方形两种。一般备有能在水平面内作前后、左右和360度旋转的螺丝和刻度。载物台上还备有弹簧压片和场光圈。明场用的玻璃场光圈有Φ13mm、Φ21mm和Φ27mm三种；暗场用的金属场光圈有Φ10mm、Φ15mm和Φ20mm三种。

（6）孔径光栏15和视场光栏14  孔径光栏装在照明反光镜座上面，刻有0~5分划线，它为孔径大小之毫米值。调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视场光栏装在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。可以旋转滚花套圈来调节视场大小。在套圈上方有两颗滚花螺钉，用来调整光栏中心与光轴重合。

（7）物镜转换器3  这是快速更换物镜的装置。转换器呈球面形，上有三个螺孔符合互换性，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。当转换各物镜到光轴上时，有显著感觉的定位器定位。

有不同类型的转换器。按安装物镜的孔数可分为两类，一类是用于低、中级金相显微镜的转换器，有3孔和4孔；另一类是用于高级金相显微镜的转换器，有5孔或5孔以上。按定位方式也可分为两类，一类是外定位转换器，定位搭子在上面，加工方便，但不够美观；另一类是内定位转换器，定位搭子在里面，加工精度高，外形美观。

物镜转换器有一固定座和一个转动搭子，中间排有钢珠以保证回转轻便。物镜转换器需保证两方面的精度：一是定位精度，即各个物镜座孔的中心偏移量要尽量小；二是齐焦精度，即当一个物镜调焦在工作位置后，转换其他物镜时，应不需重新调焦或只许稍微调焦就能得到清晰的像。

（8）目镜管11  呈倾斜45°单管形式，接在装有棱镜的半球形镜座上，可随时拆卸或将目镜平向转90°（以便接合照相设备作金相照相之用）。

（9）物镜2  本显微镜的物镜为本型号显微镜专用的，除螺纹是按国家标准外，一般不适用于其他显微镜，45×及100×物镜筒设有防压弹簧，使前透镜万一触及试样时，不会因碰压而损坏透镜，不同倍率物镜的镜筒上涂以不同颜色的环线，以示区别（例10×紫色，45×黄色，100×白色）。

4.1.3 照明系统

照明系统一般包括光源、照明器、光栏、滤色片等。金相显微镜中的照明法，对观察、照相、测定结果质量是重要的影响因素。正确的照明法不能降低亮度和分辨率，进行照明时不能有光斑和不均匀。

金相显微镜的照明系统应满足下列基本要求：首先，光源要有足够的照明亮度，

以保证金相试样上被观察的整个视场范围内得到足够强的、均匀的照明；其次，应有可调节的孔径光栏，一来可控制试样上物点进入物镜成像，二来可调节光束孔径角的大小，以适应不同物镜数值孔径的要求，充分发挥物镜的分辨能力；再次，应有可调节的视场光栏，可控制试样表面被照明区域的大小，以适应不同目镜、物镜组合时有不同的显微视场的要求，并同时拦截系统中有害的杂散光。

    各组件的要求、结构（类型）及作用分述如下：

（1）光源  对光源的要求是强度要高，亮度要均匀、稳定，发热程度不宜过高，在光源周围要有吸热、散热装置；光源位置（上、下、前、后、左、右）和光的强度可调节。

A．光源的种类  目前金相显微镜中应用最多的是白炽灯和氙灯，此外还有碳弧灯、卤素灯、水银灯、单色灯等。

a. 白炽灯  灯丝由钨丝组成，故又称钨丝灯。电压较低（6~12V），功率多为15~30W，钨丝灯的功率较高，常在100W以上。使用低压钨丝灯时，必须配备变压器，以便220V电压降到6~12V工作电压，低压钨丝灯适用于各种台式、立体显微镜的观察和摄影。大型金相显微镜亦备有钨丝灯作观察之用。但低压钨丝灯泡已逐渐为碘钨灯所取代，因为普通低压钨丝灯泡钨丝在使用时会挥发使灯泡变黑，照明度降低，寿命不长。如果在钨丝中加入少量的碘，就可以避免上述缺点。

b. 碳弧灯  由两根碳精棒通电产生的碳弧光，亮度极高，适用于照相，以及暗场、偏光金相观察。但电弧的直接辐射曝光，可能造成眼睛严重的紫外线灼伤。由于有触电的危险，更换电极必须小心谨慎。

c. 氙灯  超高压氙灯是强电流的弧光放电灯，比碳弧灯稳定和均匀。具有从紫外线到红外线的连续光谱；可见光区近似白光；具有亮度大、发光效率高及发光面积小的优点；被广泛地用作显微镜的照明光源。氙灯管内充有高压气体，一般电压低不能使其起弧，它靠“触发器”使瞬间加在灯管两端的电压达49kV的脉冲电压引起灯管起弧发光。灯管一旦发生点燃，触发器就停止工作，保证氙灯在正常电压18V、额定电流8A下工作。使用氙弧灯必须注意安全，尽可能减少起动次数，即使在15分钟之内不用也不要关灯，以便提高寿命，起动间隔时间应为15分钟。氙灯功率在50W~500W的范围，由于其亮度大，适用于暗场、偏光、相衬观察及显微摄影。

d. 石英碘灯  这是对白炽灯的改进，具有高色温、高强度以及寿命长的特征。可通过改变电流来控制光的强度。

e. 锆弧灯  具有高强度和输出非常稳定的极好光源。其光谱适宜于进行彩色显影微照相。

f. 汞蒸气灯  具有线型光谱的中高强度的光。其中最显著的光是波长为546nm的强绿色光，易得到单色辐射。

B.光源的使用方法  显微镜光源有临界照明、科勒照明、散光照明和平行光照明四种不同的照明方法。

a.临界照明  把光源的像聚焦在试样表面上，此法优点是亮度高，缺点是光源成像在试样表面，产生不均匀的照明（如图1—10）。

b.科勒照明  这种照明的特点是光源一次像借助于灯聚光器聚焦在孔径光栏处。孔径光栏与光源的一次像一起聚焦接近物镜的后焦面上，视场光栏成像在试样表面上。这种照明方式的光线比较均匀，不受灯丝开头影响，是常用的照明方式（图1—11）。

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图1—10临界照明                      图1—11科勒照明

 

c.散光照明  科勒照明用绕丝灯泡作光源，钨丝的投影必然重迭在物象中心，造成中心暗些。为克服此不足，在聚光透镜和孔径光栏之间放一毛玻璃，使发生散射，加强中心部分的照明，这就是散光照明，适用于强光源的低倍观察与摄影。

d.平行光照明  将点光源置于透镜焦点上，经透镜后得到平行的光束，平行光照明效果差，主要用于暗场照明。

C.照明器  金相显微镜的光源一般置于镜体侧面，与主光轴成直角相交。因此，需要一个垂直照明器，使光路垂直换向。照明器的种类有平面玻璃、全反射棱镜、暗场用环形反射镜，分别置于图1-12~图1-14所标的位置上。由于观察目的不同，金相显微镜采光方式也不一样，可分为明场和暗场照明两种。

a.明场照明的光路行程  主要采光方法有平面玻璃反射照明和棱镜反射照明两种。它使显微组织的平面区为明亮区，倾斜面区为暗区，其光路行程见图1-12和图1-13。垂直照明器将来自光源的光线转向，垂直照射到试样表面，其反射光线再经物镜、目镜成像。高倍观察时，宜采用平面玻璃作垂直照明器。这样光线可充满物镜的孔径角，能充分发挥数值孔径的作用，使物镜的分辨率得到最大的发挥。但光线通过玻璃后光的损失较大（总损失可达75%），故映像亮度稍差，黑白衬度也差。在低倍观察时，宜采用反射棱镜作垂直照明器，这样物镜内只有一半充满光线，降低了物镜的数值孔径，致使分辨能力大减；但成像的衬度高，立体感强，对于100×以下的影响不大。

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图1—12平面玻璃反射垂直照明器光路       图1—13棱镜反射垂直照明器光路

b.暗（视）场照明的光路行程  该方式所得映像的黑色白色区正好与明场相反，对于观察倾斜面区有较好的鉴别率，常用于非金属夹杂物的鉴定等。图1-14是暗（视）

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图1—14 暗（视）场光路行程

场工作原理的光路行程简图。光线经聚光镜获得平行光束，经环形光栏（或遮光反射镜）后变为环形光束，再由暗场环形反射镜垂直反射。环形光线不经物镜而直接照射到罩在物镜外面的曲面反射镜上，以极大的倾角反射到试样表面上。当试样表面为平整镜面时，射到试样上的光线仍以极大的倾角反射回来，它们不通过物镜，故目镜筒内看到一片黑暗；当试样表面有凹凸不平的显微组织或夹杂物时，会造成光线的漫反射，部分漫反射光线通过物镜，使黑暗的背景上显示出明亮的映像。暗场成像与明场成像的差别在于：明场中试样的入射光经物镜，反射光的倾角不大，也经物镜；而暗场中，试样的入射光不经物镜，反射光倾角极大。当试样表面平整时，反射光不经物镜，当试样表面凹凸不平、产生漫反射时才经物镜。

（2）光栏  在金相显微镜的光路系统中，一般装有两个光栏，靠近光源的称孔径光栏；另一个称视场光栏。光栏的作用是改善映象质量，控制通过系统的光通过量和拦截系统中有害的杂散光等。

A．孔径光栏  调节入射光束的粗细。缩小孔径光阑可减小球差和轴外像差，使映像清晰；但会使物镜的分辨能力降低。理论上合适的孔径光阑大小应以光束刚刚充满物镜后透镜为准。实际观察时无法检查后透镜光线充满的情况，按经验可取下目镜直接观察筒内灯丝映像面积占整个筒面积的1/2~3/4时为适宜的孔径光阑。

B．视场光栏  视场光栏在孔径光栏后，其所在位置为经光学系统后成像于金相磨面上。因此，调节视场光栏可改变视域的大小，而不影响物镜的分辨率。缩小视场光栏可减少镜筒内的反射光和眩光，提高映像衬度。观察时宜将视场光栏调节到与目镜内视域同样大小。有时为了集中观察试样上某一细微组织，会将视场光栏缩小到刚好能包围这一部分以提高观察效果。摄影时则以调节到画面尺寸为限。

（3）滤色片  滤色片的作用是允许白色光波中一定波长的光通过，吸收其它波长的光。滤色片是金相摄影时一种重要的辅助工具，用以得到优良的金相照片。使用滤色片的主要目的是：

A．增加映像衬度，或提高某些彩色组织细微部分在黑白摄影时的分辨率  如经染色的金相试样在显微镜下可观察到鲜明的彩色映像。但采用黑白片摄影时，往往因其明暗差别小而得不到理想的衬度，此时需借助滤色片来改进衬度。

选择滤色片时，为了使某一相的色彩因滤色片加入而变成暗黑色调，以提高映像衬度，应使滤色片吸收掉对该相反射较高的光线，即运用该相色彩的补色来滤光。

如要分辨某一组成相的细微部分，则衬度退居次要地位，可选用与组成相同样色彩的滤色片，使该相能充分显示，如淬火高碳钢经热染后奥氏体呈棕黄色，马氏体呈绿色，如绿色滤色片有助于马氏体内细节的显示。

一般金相显微镜常带有黄、蓝、绿、灰等滤色片。它们的作用是：黄色滤色片改善像质，人眼对其较灵敏。蓝色滤色片因蓝光的波长较短，可以提高分辨率。绿色滤色片改善像质，使观察舒适。中性滤色片，减弱光强，得到合适的亮度。

B．校正残余像差   由于消色差物镜的像差校正仅在黄绿波段较完善，故使用时应配用黄绿色滤色片；而其它色彩的滤色片均显著暴露消色差物镜的缺点，降低映像质量。复消色差物镜对各波区像差的校正均极佳，故可不用滤色片，或根据衬度需要选择。

C．得到较短波长的单色光以提高分辨率  光源的波长愈短，物镜的分辨率愈高。如采用λ=440nm的蓝光，将比用λ=550nm的黄绿光具有更高的分辨率。

4.2  金相显微镜的使用方法、注意事项和维护

4.2.1 使用说明

（1）将光源插头接上电源变压器，然后将变压器接上户内220V电源即可使用。照明系统在出厂前已经经过校正。

（2）每次更换灯泡时，必须将灯座反复调校。灯泡插上灯座后，在孔径光栏上面放上滤色玻璃，然后将灯座转动及前后调节，以使光源均匀明亮地照射于滤色玻璃上，这样，灯泡已调节正确，这时则将灯座的偏心环转动一个角度，以便将灯座紧固于底盘内。灯座及偏心环上有红点樗，如卸出时，只要将红点相对即可。

（3）观察前原则上要装上各个物镜。在装上或除下物镜时，须把载物台升起，以免碰触透镜。如选用某种放大倍率，可参照总倍率表来选择目镜和物镜。

（4）试样放上载物台时，使被观察表面复置在载物台当中，如果是小试样，可用弹簧压片把它压紧。

（5）使用低倍物镜观察调焦时，注意避免镜头与试样撞击, 可从侧面注视接物镜, 将载物台尽量下移，直至镜头几乎与试样接触(但切不可接触)，再从目镜中观察。此时应先用粗调节手轮调节至初见物像，再改用细调节手轮调节至物像十分清楚为止。切不可用力过猛，以免损坏镜头，影响物像观察。当使用高倍物镜观察，或使用油浸系物镜时，必须先注意极限标线，务必使支架上的标线保持在齿轮箱外面二标线的中间，使微动留有适当的升降余量。当转动粗动手轮时，要小心地将载物台缓缓下降，当目镜视野里刚出现了物像轮廓后，立即改用微动手轮作正确调焦至物像最清晰为止。

（6）使用油浸系物镜前，将载物台升起，用一支光滑洁净小棒蘸上一滴杉木油，滴在物镜的前透镜上，这时要避免小棒碰压透镜及不宜滴上过多的油，否则会弄伤或弄脏透镜。

（7）为配合各种不同数值孔径的物镜，设置了大小可调的孔径光栏和视场光栏，其目的是为了获得良好的物像和显微摄影衬度。当使用某一数值孔径的物镜时，先对试样正确调焦，之后，可调节视场光栏，这时从目镜视场里看到了视野逐渐遮蔽，然后再缓缓调节使光栏孔张开，至遮蔽部分恰到视场出现时为止，它的作用是把试样的视野范围之外的光源遮去，以消除表面反射的漫射散光。为配合使用不同的物镜和适应不同类型试样的亮度要求设置了大小可调的孔径光栏。转动孔径光栏套圈，使物像达到清晰明亮，轮廓分明。在光栏上刻有分度，表示孔径尺寸。

4.2.2 使用注意事项

（1）操作时必须特别谨慎，不能有任何剧烈的动作。不允许自行拆卸光学系统。

（2）严禁用手指直接接触显微镜镜头的玻璃部分和试样磨面。若镜头上落有灰尘，会影响显微镜的清晰度与分辨率。此时，应先用洗耳球吹去灰尘和砂粒，再用镜头纸或毛刷轻轻擦拭，以免直接擦试时划花镜头玻璃，影响使用效果。

（3）切勿将显微镜的灯泡（6~8V）插头直接插在220V的电源插座上，应当插在变压器上，否则会立即烧坏灯泡。观察结束后应及时关闭电源。

（4）在旋转粗调（或微调）手轮时动作要慢，碰到某种阻碍时应立即停止操作，报告指导教师查找原因，不得用力强行转动，否则会损坏机件。

4.2.3 仪器维护

为了使仪器在正常使用条件下，保持它的有效性能，除了必须使用恰当外，还必须注意加强维护保养，现就维护保养问题提出下列几点要求（仅供参考）。

（1）仪器应贮放在空气流通和较干燥的地方，避免过冷过热和接触腐蚀性气体，不能与化学用品（干燥剂除外）同时贮放于同一地方。使用后宜用罩子遮盖并抹擦干净。不用时,要及时移走试样（玻片），用擦镜纸擦拭镜头，并将镜头转成八字式，同时下降镜筒固定，以免物镜镜头与集光器上的透镜相击而受损。再将显微镜装放入木箱内，放置在干燥、通风处。在可能条件下，最好每隔一定的时间，选择天气好的日子，将仪器和附件从木箱中取出，一起在室内宽敞、干燥、空气流通的地方，作两、三小时的室内晾曝。在高温天气作业完毕后，应注意贮放地点的温度，如温差悬殊，用毕后即收藏会在仪器上面产生湿气，容易使仪器发潮损坏。

（2）使用后应给目镜斜管盖上防尘盖子，如没有防尘盖子亦应套上目镜，以免灰尘落入斜管内，影响镜座光具的清洁。

（3）不宜随便拆卸和揩抹光学系统内部的半反射镜。除此之外，在透镜或玻璃表面不慎接触油污尘垢，可用细洁亚麻布或洁净脱脂棉花，沾少许二甲苯拭除（但不能用酒精，以免浸入透镜内层影响质量），由镜头中心向外旋转擦拭，并用擦镜纸或软绸布轻轻拭净,否则易于脱胶，或模糊而影响检测效果。如只是沾上灰尘，可用橡皮小吹风球把灰尘吹掉（不可用口吹），或用软毛笔或用细木棒卷上棉花，轻轻擦除之。镜头表面镀有一层兰透光膜，不要误作污物擦拭，禁止用金属工具来代替棉签进行擦拭。

（4）使用油浸系物镜后，必须立即采用上述方法把油垢除去，抹擦干净，抹时千万小心，特别注意不能按压镜面，否则容易使透镜脱离镜座。

（5）仪器长期使用后，粗动滑板部分及载物台滑动部分可能出现油脂不足或干涸现象，此时应及时添加润滑油脂。粗（微）动机构宜用流动性油脂，载物台滑动部分宜用有适当粘度的（但注意不能含有酸性）油脂。

（6）非不得已不应随便拆卸齿轮箱内部。如损坏时，必须请有经验的人修理，以免损坏机件。