金相显微镜及其光学系统、照明系统、机械系统

金相学的兴起给金属材料研究带来了历史性的变革。金相学是借助光学（金相）显微镜、体视显微镜对材料显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析、研究和表征的材料学科分支。包含材料显微组织的成像及其定性、定量表征，以及必要的样品制备、准备和取样方法。其主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒、非金属夹杂物、晶体缺陷的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。金相显微镜由光学系统、照明系统、机械系统构成。这里只介绍光学系统。

1.工作原理 显微镜由物镜和目镜两个透镜组成。对着显微样品的透镜叫物镜，对着眼睛的透镜叫目镜。物镜是对目的物起放大作用，目镜仅放大由物镜放大过的像。如果物镜不能保证得到清晰的像，则目镜最好也是没有用的。

（1）放大系统。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。其光路见图8-1。

由于金相观察的目的物都是不透明的，所以需要对目的物进行照明。最常用的照明方式是顶端垂直照明。其中孔径光阑用来控制光强，视场光阑用来控制视场面积。环形反射镜用来引导光线向下通过物镜照明目的物。在这种照明方式中，来自垂直于显微镜光轴的目的物平面的光线进入目镜，参与成像，像是明亮的；而目的物表面凹凸不平之处反射的光线则收集不到，成为暗像。这种方式的照明称为明场照明。金相面上垂直于显微镜光轴的平面反射不能进入物镜，成为暗像，而与光轴不垂直的平面反射的光线，程度不同地能进入物镜参与成像，这种方式的照明称为暗场照明。暗场照明用来提高光学对比度。

1）显微镜的放大率为

M_显=L/f_物×250/f_目

式中 M_显———显微镜放大率；

f_物———物镜（mm）焦距；

f_目———目镜（mm）焦距；

L———物方焦点到像方焦点的间隔，即光学镜筒长度（mm）；

250———正常眼睛明视距离（mm）。

2）金相显微镜的电子目镜，是一种针对金相显微镜成像专门研制而成的光学电子仪器。金相显微镜电子目镜传输接口为USB2.0高速接口，采用1/2in（12.7mm）CMOS大面阵图像传感器及大口径光学镜头，获取的图像具有高的清晰度，分辨率达130～300万像素。

图8-1 金相显微镜光路

金相显微镜的电子目镜，是针对普通光学显微镜通用目镜筒而开发的，它能替代人眼观察视野，将镜下图像真实反映在电子图像显示及输出的光电设备上，实现图像时刻共享、资料数字化、电子存档化的特殊目镜。金相显微镜电子目镜适用于任何标准的生物、体视。金相显微镜的拍摄，可以广泛地应用于生物学、病理学、细菌学观察、教学和研究，工厂、实验室对材料的分析和鉴定。

3）金相显微镜物镜按照无限远象距进行设计，而不是像常规物镜那样按照有限象距进行设计。使用这种光学系统时，当入射光从试样表面反射再次进入物镜后，并不收敛而是保持为平行光束，直到通过镜筒透镜后才收敛并形成中间象，即一次放大实象，然后才供目镜再次放大。无限远光学系统的优点是显微镜中的各种光学附件，例如暗视场光束分离器、偏振光分离器、棱镜、检偏振镜，以及其他附加滤色镜等，都可以放置在物镜凸缘与镜筒透镜之间平行光束的空间，由于成象光束没有受到上述光学附件的干扰，物象的质量不会受到损害，从而简化了物镜设计中色差和象差的校正。此外，在无限远光学系统中，镜筒长度系数保持为一，无论物镜与目镜之间的距离有多远，也不需要一个固定的中转透镜系统。

（2）同焦面性设计。更换物镜及目镜后不需要重新调焦，一般只需略微调节微调旋钮，就可以使物象准确聚焦。为此，物镜和目镜的光学机械尺寸应满足同焦面性的要求：

1）所有物镜的共轭距离（即从试样表面到物镜初次放大实像像面之间的距离）相等。

2）所有物镜初次放大实像到目镜镜筒口的距离不变。

3）所有目镜的焦面与物镜初次放大实像的像面重合。同焦面性并不是物镜或目镜的一个固有特性，而是在新型显微镜的设计中，为了便于使用者的操作而采取的一种措施。

（3）最低有效放大倍数。显微镜的有效放大倍数（M）与物镜数值孔径（NA）的关系可以表示为：

550NA＜M＜1100NA

长期以来，显微镜使用者一直遵循这一关系式。但是，VanderVoort在其所著《金相学———原理与实践》一书中指出，上式是在用理想的眼睛观察具有理想反差物像的条件下推导出的，因此不要当做教条来遵循。实际上，分辨率不仅与物镜的分辨率有关，而且还与物像的反差有关。此外，照明条件、放大倍数、物镜质量，以及观察条件都会影响物像的反差，因而也会影响分辨率。为了获得最高分辨率，最低有效放大倍数应当是最佳条件下的4倍左右，即M≈2200NA。使用放大4000倍，或者更高放大倍数的显微照片也是完全合理的。

（4）物镜

1）平场消色差物镜。新型显微镜已经普遍使用平场消色差物镜，甚至还可以配置更高级的平场复消色差物镜。老式物镜初次放大实像的直径只有18～20mm，而平场消色差物镜则规定高度校正的初次放大平面像的直径为28mm，即像场面积增大了一倍，并使像场弯曲得到了很好的校正。

2）高倍干物镜。为了便于观察高倍显微组织，现在显微镜一般均备有高倍干物镜。例如nikon公司生产的EPIPHOT300型金相显微镜，配置有放大100×、150×、200×的CF-PlanApoEPI型干物镜，其NA值均为0.95。尽管干物镜的分辨率明显低于油浸物镜（100×油浸物镜的NA值一般可达1.40），但由于简化了操作，并使试样免于被油污染，已获得更为广泛的使用。

3）广视场目镜。其结构特点是场光阑显著增大，一般为22～26.5mm（老式目镜的场光阑直径只有16mm），充分利用了平场物镜扩大了的像场面积。

此外，有的显微镜还配置有高眼点目镜，使眼睛有缺陷（如散光）的人，可以戴着眼镜进行观察，物像的质量可以免受眼睛缺陷的影响。由于平场消色差物镜和广视场目镜的推广、使用，使显微组织观察的视域扩大了许多，这也相应提高了对显微镜载物台加工精度和试样制备质量的要求。

4）长工作距离物镜。有些显微镜生产厂商还推出一些工作距离较长的物镜，这是为了适应生产检验或特殊需要（例如高温台）而设计的。通常情况下，物镜的放大倍数越高，工作距离（即物像聚焦时，物镜接物透镜与试样之间的距离）越短。为了避免物镜因工作中不慎触及试样或受热而损坏，于是就设计了这种特殊物镜。例如：nikonEPIPHOT300型金相显微镜的物镜系列中，就有放大50×和100×，工作距离分别为8.7mm和2.0mm的长工作距离物镜，其NA值分别为0.55和0.8；又如olympusGX系列显微镜也可配放大50×和100×，工作距离分别为10.6mm和3.4mm的长工作距离物镜，其NA值分别为0.55和0.8。而放大50×和100×普通物镜的工作距离，分别只有0.54mm和0.3mm，但是其NA值则分别为0.8和0.95。可以看出，长工作距离物镜的数值孔径，即分辨率有所下降，不过成像质量仍然不错。

2.分辨率和像差 透镜的分辨率和像差缺陷的校正程度，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最小分辨距离。由于光的衍射现象，物镜的最小分辨距离是有限的。德国人阿贝（Abb）对最小分辨距离d提出了以下公式：

d=λ/2nsinϕ （8-1）

式中 λ———光源波长；

n———样品和物镜间介质的折射系数，空气n=1，松节油n=1.5；

ϕ———物镜的孔径角之半。

像差的校正程度，也是影响成像质量的重要因素。在低倍情况下，像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。透镜的像差主要有七种。其中，对单色光的五种是球面像差、彗星像差、像散性、像场弯曲和畸变；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像差的校正，根据校正的程度而有消色差和复消色差物镜。近期的金相显微镜，对像场弯曲和畸变等像差也给予了足够的重视。物镜和目镜经过这些像差校正后，不仅图像清晰，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。上述像差校正程度，都分别以镜头类型的形式标志在物镜和目镜上。

3.光源 最早的金相显微镜，采用一般的白炽灯泡照明。后来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，金相显微镜不是用透射光，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，并制成了第一台金相显微镜。原始的金相显微镜只有明场照明，后来发展用斜光照明，以提高某些组织的衬度。

4.多功能紧凑设计 在人们的印象中，只有大型卧式显微镜才是功能齐全的高级设备。但是，现在生产的显微镜（包括高级研究型）基本上都采用紧凑的台式设计，并使用先进的平场消色差物镜，或平场复消色差物镜，以及广视场目镜。有的显微镜还配有电动控制的物镜回转头，只需按下按钮，所需的物镜就会自动旋入光程，孔径光阑和视场光阑的大小也能随着物镜的更换自动进行调整。照明方式则有明视场、暗视场、偏振光、微差干涉衬度（DIC）等四种最常用的照明方式，而且照明方式的变换也极为简便。此外，观察到的物象也是正置而不是反置，使物象的移动方向与载物台的移动方向一致，大大便利了操作。台式显微镜具有低载物台设计，载物台的万向节操纵手柄，使载物台能非常方便地沿x轴和y轴方向来回移动。当照明方式在明视场与暗视场之间变换时，孔径光阑的调整由内置的连动装置自动完成。有40种以上放大倍数，从1.5×到200×的物镜可供选用。无限远光学系统的每一个光学元件都单独地进行了色差校正，从而保证获得清晰的物像。各种测量标尺均放置在初次放大实像位置，因此，始终保持聚焦，不受试样表面形貌的影响。放大2.5×连续变倍装置（从0.8×到2.0×，物像始终保持清晰）可用于观察和显微照相。当旋钮调到1.0×，1.25×，1.5×处时，还可以听到喀哒停顿声。

图8-1所示的显微镜是一种先进的研究型显微镜。放大1×～2×连续变倍装置，不仅可用于观察，而且可用于所有的接口。Carlzeiss公司生产的Axiovert40MAT型倒置式金相显微镜，适用于繁忙的材料实验室的质量检验、材料分析、金属加工工艺分析、材料研制等项工作，以及玻璃和塑料工业、研究机构和学校教学使用。此显微镜坚固的载物台，可以放置比较重的大零件，并备有长工作距离物镜。Carlzeiss公司生产的Axiovert200MAT型倒置式金相显微镜，它是一种专业型高端产品，显微镜镜体可以在手工操作和电动机驱动两类中选择。如果选用后者，则物镜的更换和调焦、载物台移动等操作，均可通过相应的按钮迅速完成。根据无限远光学系统设计的物镜，可使物像具有优异的反差；具有高数值孔径的长工作距离物镜，既便于操作，又能获得高分辨率组织。此显微镜还利用新研制的“全干涉衬度”（TIC）光学方法，测量显微组织中的阶状高度，其精度可达20nm；还有将圆偏振光代替传统的线偏振光用于DIC，即“圆DIC”（C-DIC）技术，使原来只能在一定取向才能看到的组织，变为可以看到其全貌而与取向无关，并与载物台的转动位置无关。显微照相和图象分析走进了数字化时代。显微镜的内置照相装置或外置照相附件，既可以使用35mm胶卷，也可以使用大尺寸胶片，或一次成象感光器材。由于35mm胶卷更为经济和便捷，从而获得更加广泛的使用。

数字成像系统也用于显微照相。它可以很容易地将数字化的图象储存在计算机内，也可以随时将其打印成照片，或通过电子邮件传递，免除了暗室操作。有了图象分析软件，还可以将数字化图象经过图象处理后，按照国家标准进行定量分析，例如晶粒度测定、镀层或涂层厚度测定、孔隙度测定等。随着计算机技术的进步和软件的完善，图象分析也会越来越方便、迅速、精确。利用图象处理软件，还可以将多个相邻视场的数字化图象，拼接成一整幅视场宽广的清晰图象，而且几乎看不出接缝的痕迹。对于一个高水平的操作系统，这一操作可以在数秒钟内完成。但是，随着数字化图象应用的迅速普及，也带来一个令人忧虑的问题，这就是显微组织照片的“作假”问题。利用图象处理软件对金相组织进行“修理”，甚至“移花接木”已经不是一件难事。这样做完全违背了“金相组织应当能如实反映试样真实组织”的重要原则，还可能造成严重的事故。

5.GSM-C289A数码相机型金相显微镜见图8-2。

（1）特点

1）采用优秀的无限远双重色彩校正及反差增强型（ICCS）光学系统，提供锐利的图像。

2）采用五种上部部件和三种下部部件及两个立柱组合方式，可根据对材料检测的要求和经济成本，进行任意灵活的组合，可实现对透明材料、不透明材料及荧光材料的分析，同时具有强大的升级空间，保证检测要求。

图8-2GSM-C289A数码 相机型金相显微镜

3）高度达到380mm。

4）设备的部件升级无需专业人员，用户可自行操作完成。

（2）技术参数

1）光学系统：ICCS光学系统。

2）镜体：FEM设计，ACR位置编码。

3）物镜倍数：5X 10X 20X 50X 100X，可选1.25X、2.5X、150X。(www.xing528.com)

4）目镜倍数：10X。

5）视场数：20、22。

6）物镜转盘：5孔。

7）观察功能：明场、高级暗场、圆偏光、微分干涉。

8）光源：12V、50W卤素灯。

9）可扩展性：可配图像分析系统（数码相机、摄像头、图像分析软件）。

10）电脑型金相显微镜（GSM-C289A）：金相显微镜、适配镜、摄像器（CCD）、A/D（图像采集）。

（3）性能参数见表8-1。

表8-1GSM-C289A金相显微镜性能参数

（4）主要功能特点

1）安装简单，即插即用，计算机端采用USB2.0接口插拔方便。

2）操作简单。操作软件兼容性强，界面简洁。可自由调整曝光帧速率、对比度、亮度、锐度及影像尺寸等。拍摄软件有着优异的人机界面，使用者可轻易在计算机上进行摄像、摄影操作。

3）共享性强，可随时对图像进行编辑、处理、保存、传输数据等。金相显微镜电子目镜可配合投影机，组成一个电子多媒体教学、演示系统，提高设备利用率、共享性，促进相互交流。

4）分析级显微镜核心部件（物镜、目镜）均采用研究级显微镜标准制作，使得分析级显微镜具有了研究级显微镜的标准和成像质量。

6.金相显微镜检测 金相显微镜以放大倍数，透镜成像的几何光学完善性，显微镜鉴别率来衡量显微镜性能的优劣。生产金相显微镜厂家比较多，型号、规格又不统一，所以要依据国家标准对其进行检测。

（1）物镜转换器定位误差

1）检具。10倍十字目镜，分划值为0.01mm的分划尺，其任意两划线间的极限偏差为±0.005mm。

2）检测方法。在被检金相显微镜的转换器上装40倍物镜，目镜筒内放10倍十字目镜，对置于载物台上的0.01mm分划尺调焦清晰，使分划尺上某一分划与目镜中十字划中心重合，然后转动物镜转换器向左、右多次定位（不少于3次），观察0.01mm分划尺像的偏移，以最大偏移值作为检测值。

3）技术要求。不大于0.02mm。

（2）换物镜偏差

1）检具。10倍十字分划目镜，十字分划板。

2）检测方法。用10倍十字分划目镜和各放大率物镜在被检显微镜上进行检测，以偏的最大值作为检测值。

3）技术要求。由10倍物镜转换至其他放大率物镜时，均不越出视场。

（3）载物台旋转中心偏移

1）检具。10倍十字分划目镜，十字分划板。

2）检测方法。在被检金相量微镜上用10倍十字分划目镜和10倍物镜，对置于载物台上的十字分划板调焦清晰。在转动载物台的同时移动十字分划板，使十字线中心的像趋向于最小的圆，以最小圆的直径作为检测值。

3）技术要求。显微镜第一次像的中心，最大偏移不大于0.2mm。

（4）目镜偏差

1）检具。十字分划板。

2）检测方法。在显微镜上用10倍物镜和被检十字分划目镜，对置于载物台上的十字分划板调焦清晰，并使十字分划板中心的像与十字分划板目镜重合，然后旋转十字分划目镜，以两十字线中心的最大偏移作为检测值。

3）技术要求。十字分划目镜的十字线中心应与目镜轴线重合，其偏差为0.01mm。

（5）显像部分出现的问题

1）光学系统。视场模糊或视场不清晰；像发闪烁，反差不好；转换物镜时不同焦；即使用高电压，视场也难以鲜明。

2）粗、微调部。粗调控制钮旋转时发重；由于载物台自然下降或粗调的滑动，使观察中的焦点离开。

3）单目镜筒与双目镜筒的视场不一致。

以上问题必须校正。

7.注意事项 为了保证系统的使用寿命及可靠性，注意事项如下：

1）试验室应具备三防条件：防震（远离震源）、防潮（使用空调、干燥器）、防尘（地面铺上地板）。电源220V±10%，50Hz；温度0～40℃。

2）调焦时注意不要使物镜碰到试样，以免划伤物镜。

3）当载物台垫片圆孔中心的位置远离物镜中心位置时，不要切换物镜，以免划伤物镜。

4）亮度调整切忌忽大忽小，也不要过亮，否则影响灯泡的使用寿命，同时也有损视力。

5）所有（功能）切换，动作要轻，要到位。

6）关机时要将亮度调到最小。

7）非专业人员不要调整照明系统（灯丝位置灯），以免影响成像质量。

8）更换卤素灯时要注意高温，以免灼伤；注意不要用手直接接触卤素灯的玻璃体。

9）关机不使用时，将物镜通过调焦机构调整到最低状态。

10）关机不使用时，不要立即盖上防尘罩，待冷却后再盖，注意防火。

11）不经常使用的光学部件放置于干燥皿内。

12）非专业人员不要尝试擦物镜及其他光学部件。目镜可以用脱脂棉签蘸1∶1比例（无水酒精：乙醚）混合液体甩干后擦拭，不要用其他液体，以免损伤目镜。