金相显微镜工作原理|结构|参数

金相显微镜是用入射照明来观察金属试样表面金相组织的显微镜，是对热处理后的材料作一般金相组织的研究工作的仪器。是集光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术于一身的光学仪器。

金相显微镜原理

金相显微镜的基本放大原理下图所示。其放大作用主要由焦距很短的物镜和焦距较长的目镜来完成。为了减少象差，金相显微镜的目镜和物镜都是由透镜组构成复杂的光学系统，其中物镜的构造尤为复杂。

为了便于说明，图中的物镜和目镜都简化为单透镜。物体AB位于物镜的前焦点外但很靠近焦点的位置上，经过物镜形成一个倒立放大的实象A'B'，这个象位于目镜的物方焦距内但很靠近焦点的位置上，作为目镜的物体。目镜将物镜放大的实象再放大成虚象A"B",位于观察者的明视距离(距人眼250mm)处，供眼睛观察，在视网膜上成Z终的实象。

利用几何光学原理对金相显微镜的成象过程进行了分析。但是实际上金相显微镜所观察的显微组织，往往几何尺寸很小，小至可与光波的波长相比较，根据光的电磁波理论，此时不能再近似地把光线看成是直线传播，而要考虑衍射的影响。另一方面，金相显微镜中的光线总是部分相干的。因此，金相显微镜的成象过程是一个比较复杂的衍射相干过程。事实上，由于衍射等因素的影响，金相显微镜的分辨能力和放大能力都受到一定限制。目前金相显微镜可观察的Z小尺寸一般是0.2μm左右，有效放大率Zda为1500~1600x。

金相显微镜工作原理

放大系统是影响显微镜用途和质量的关键。主要由物镜和目镜组成。

显微镜的放大率为：

M显=L/f物×250/f目=M物×M目式中[m1]M显——表示显微镜放大率;[m2]M物、[m3]M目和[f2]f物、[f1]f目分别表示物镜和目镜的放大率和焦距;L为光学镜筒长度;250为明视距离。长度单位皆为mm。

分辨率和象差透镜的分辨率和象差缺陷的校正程度是衡量显微镜质量的重要标志。在金相技术中分辨率指的是物镜对目的物的zui小分辨距离。由于光的衍射现象，物镜的zui小分辨距离是有限的。德国人阿贝(Abb)对zui小分辨距离d提出了以下公式

d=λ/2nsinφ式中λ为光源波长;n为样品和物镜间介质的折射系数(空气;=1;松节油：=1.5);φ为物镜的孔径角之半。

从上式可知，分辨率随着和的增加而提高。由于可见光的波长[kg2][kg2]在4000～7000之间。在[kg2][kg2]角接近于90的zui有利的情况下，分辨距离也不会比[kg2]0.2m[kg2]更高。因此，小于[kg2]0.2m[kg2]的显微组织，必须借助于电子显微镜来观察(见)，而尺度介于[kg2]0.2～500m[kg2]之间的组织形貌、分布、晶粒度的变化，以及滑移带的厚度和间隔等，都可以用光学显微镜观察。这对于分析合金性能、了解冶金过程、进行冶金产品质量控制及零部件失效分析等，都有重要作用。

象差的校正程度，也是影响成象质量的重要因素。在低倍情况下，象差主要通过物镜进行校正，在高倍情况下，则需要目镜和物镜配合校正。透镜的象差主要有七种，其中对单色光的五种是球面象差、彗星象差、象散性、象场弯曲和畸变。对复色光有纵向色差和横向色差两种。早期的显微镜主要着眼于色差和部分球面象差的校正，根据校正的程度而有消色差和复消色差物镜。随着不断发展，金相显微镜对象场弯曲和畸变等象差，也给予了足够的重视。物镜和目镜经过这些象差校正后，不仅图象清晰，并可在较大的范围内保持其平面性，这对金相显微照相尤为重要。因而现已广泛采用平场消色差物镜、平场复消色差物镜以及广视场目镜等。上述象差校正程度，都分别以镜头类型的形式标志在物镜和目镜上。

光源早的金相显微镜，采用一般的白炽灯泡照明，以后为了提高亮度及照明效果，出现了低压钨丝灯、碳弧灯、氙灯、卤素灯、水银灯等。有些特殊性能的显微镜需要单色光源，钠光灯、铊灯能发出单色光。

照明方式金相显微镜与生物显微镜不同，它不是用透射光，而是采用反射光成像，因而必须有一套特殊的附加照明系统，也就是垂直照明装置。1872年兰(V.vonLang)创造出这种装置，并制成了*台金相显微镜。原始的金相显微镜只有明场照明，以后发展用斜光照明以提高某些组织的衬度。

金相显微镜构造

金相显微镜通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附有摄影装置。

载物台：

金相显微镜载物台用来放置金相试样，载物台和下面托盘之间有导轨，用手推动可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。

孔径光阑和视场光阑：

孔径光阑装在照明反射镜座上面，调整孔径光阑能够控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视场光阑设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉，用来调整光阑中心。

物镜转换器：

转换器呈球面形，上有三个螺钉，可以安装不同放大倍数的物镜，旋转转换器可以使各个物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，可以获得各种放大倍数。

目镜筒：

目镜筒呈45度倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还可以将目镜转向90度呈水平状以配合照相装置进行金相摄影。

金相显微镜是一种精密的光学仪器，使用时要求细心谨慎。在使用金相显微镜工作之前首先要熟悉其构造特征以及各个主要部件的相互位置和作用，然后按照金相显微镜的使用规程进行操作。

金相显微镜的参数

数值孔径：

数值孔径是金相显微镜的物镜和聚光镜的主要技术参数，数值孔径简写NA，是判断两者(尤其对物镜而言)性能高低的重要标志。其数值的大小，分别标刻在物镜和聚光镜的外壳上。

数值孔径是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率(n)和孔径角(u)半数的正弦之乘积。用公式表示如下：NA=nsinu/2。

分辨率：

金相显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的Z小间距，又称鉴别率。其计算公式是σ=λ/NA，式中σ为Z小分辨距离;λ为光线的波长;NA为物镜的数值孔径。可见物镜的分辨率是由物镜的NA值与照明光源的波长两个因素决定。NA值越大，照明光线波长越短，则σ值越小，分辨率就越高。

放大率和有效放大率：

由于经过物镜和目镜的两次放大，所以金相显微镜总的放大率Γ应该是物镜放大率β和目镜放大率Γ1的乘积：Γ=βΓ1，显然，和放大镜相比，金相显微镜可以具有高得多的放大率，并且通过调换不同放大率的物镜和目镜，能够方便地改变显微镜的放大率。

焦深：

焦深为焦点深度的简称，即在使用金相显微镜时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。这点在视频显微镜中尤为重要。

视场直径：

观察金相显微镜时，所看到的明亮的圆形范围叫视场，它的大小是由目镜里的视场光阑决定的。视场直径也称视场宽度，是指在显微镜下看到的圆形视场内所能容纳被检物体的实际范围。视场直径愈大，愈便于观察。

覆盖差：

金相显微镜的光学系统也包括盖玻片在内。由于盖玻片的厚度不标准，光线从盖玻片进入空气产生折射后的光路发生了改变，从而产生了相差，这就是覆盖差。覆盖差的产生影响了金相显微镜的成响质量。

工作距离：

工作距离也叫物距，即指物镜前透镜的表面到被检物体之间的距离。镜检时，被检物体应处在物镜的一倍至二倍焦距之间。因此，它与焦距是两个概念，平时习惯所说的调焦，实际上是金相显微镜的调节工作距离。