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1、实验一 金相显微镜的原理、构实验一 金相显微镜的原理、构 造及使用造及使用 一、实验目的一、实验目的 1. 了解金相显微镜的基本原理和构造 2. 掌握金相显微镜的使用方法 3. 掌握金相显微镜的维护 二、概述 显微分析是金属材料科学的一个很重要 的研究方法，它可以观察及研究金属中 用宏观分析方法无法观察到的组织细节 及缺陷。而金相显微镜则是进行显微分 析的主要仪器。 下面介绍金相显微镜的 原理、构造。先看一下它的结构： 1载物台；2镜臂；3物镜转换器；4微动座；5粗 动调焦手轮；6微动调焦手轮；7照明装置；8底座；9 平台托架；10碗头组；11视场光栏；12孔径光栏 4型金相显微镜实物图 A
2、B D A B A B A B D A B A B 显微镜的成像原理图 物体AB位于物镜的前焦点外但很靠近焦点的位置上，经过 物镜形成一个倒立的放大实像AB，这个像位于目镜的物方焦 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 大的实像再放大成虚像AB，其位于观察者的明视距离处 （距人眼250mm），供人眼观察。 金相显微镜的类型很多，有台式的、 卧式的等，但无论是哪种类型，它们都 是由光学系统、照明系统、机械系统和 附件等部分构成。下面一一介绍： （1）显微镜的光学系统 显微镜的光学系统主要由物镜和目镜组 成，由物体来的光线通过物镜和目镜进行放大 成像。 物镜是显微镜最主要的光学部
3、件。物镜的 好坏直接影响显微镜放大后的影像质量。位于 物镜最前端的是平面透镜。称为前透镜，起放 大作用，在它以后的其他透镜都是校正透镜， 用以校正前透镜所引起的各种像差。 显微镜物镜的球面像差大多已进行了必要 的校正，但对色像差和像域弯曲的校正，不同 的物镜区别也很大。色像差校正到红、绿两波 区的称为消色差物镜；校正到红、绿、紫波区 的称为复消色差物镜；如果再对视场边缘的弯 曲进行校正的则称为平场消色差物镜。 A. 放大率。它是指物镜独立放大实物倍数的能 力，它取决于物镜前透镜的焦距。焦距越短， 放大倍数越高。 B. 数值孔径。它表示物镜的聚光能力。数值孔径 大的物镜聚光能力强，从实物射入物镜
4、的光线 多，成像就鲜明，数值孔径常用NA表示，其 大小为NAsin，式中为孔径角的一 半，为介质的折射率。 C.鉴别率。它是指物镜分清细微组织的能力。它 是物镜最重要的特征。 物镜所能清晰分辨出的物体相邻两点 最小距离，根据理论推导可由下式求得： AN d = 2 式中：代表入射光源的波长； N*A代表数值孔径。 物镜的类型、放大倍数、数值孔径等常以文字 符号刻在物镜的外壳上。如：物镜上刻有、或/0等 符号，其中表示放大倍数为45倍，0.65表示数值孔 径，或/0，表示此物镜按无限镜筒长度设计的。我 们实验中常用物镜为/0.63、10/0.25、40/0.65、100 （油镜）。 2、目镜 目
5、镜的主要作用是将物镜放大的实像再次放大。 当显微观察时，人眼能在明视距离处看到经目 镜再次放大的虚像。 目镜的构造比物镜简单的多，仅由为数不多的 几片透镜组成，由于通过目镜的光束近于平 行，目镜的像差并不严重，孔径角也小，所以 目镜的鉴别能力低，放大倍数也不高。目镜的 类型、规格等也常以文字符号标注在目镜的外 壳上，实验中常用的目镜为10、12.5、15、10 （带有刻度尺的）等几种，其所示的数字即为 目镜的放大倍数。 显微镜放大倍数的标定 经过物镜和目镜的两次放大，那么人眼观 察到的像的放大倍数M即为物镜的放大倍数M1 与目镜的放大倍数M2的乘积。由于在成像的过 程中，物镜处在前一级放大，那
6、么物镜不能鉴 别的组织中的细微部分，目镜也是鉴别不到的。 在此种情况下，单纯提高目镜的放大倍数并不 能提高成像质量。对于每一物镜，只有合理选 择与之配合的目镜，才能得到清晰的像。 观察时，人在明视距离处的鉴别率为 0.150.3毫米。要使物体上细微部分也 能被人眼观察到，必须将它放大到 M=0.15/d0.3/d倍，即观察时的放大范 围为： NA NA d M NA NA d M *6.0 *2 3.03.0 *3.0 2 15.015.0 = = = 最小 最大 若取入射光的平均波长为0.55微米，则 显微镜的放大有效范围近似为倍倍，根 据物镜的数值孔径就可以按上述范围选 配目镜和确定总的有
7、效放大倍数。 （2）显微镜的照明系统 金相显微镜与生物显微镜不同，它是利 用反射光将不透明的物体进行放大成像 的。金属试样不透明，需要有照明装置。 将光线投射在试样表面，借金属表面本 身的反射能力，使部分光线被反射而进 入物镜，从而形成一个倒立的实像，随 后在目镜中形成一个虚像。 显微镜的照明系统 1.光源 2.滤色片 3.孔径光栏 4.视场光栏 5.照明器 6.照明系统的光轴调整 (1)光源 一般显微镜多采用低压钨丝灯泡作光源，由降 压变压器供给5V、6V、8V低电压。按照光 源，目前实验室使用的显微镜有二种：一种是 自身带有变压器的，另一种为外置式变压器 的，使用第二种时，应将显微镜的电源
8、插头插 在变压器上，防止显微镜电源烧坏。这是值得 同学注意的地方。 （2）滤色片 一般显微镜都附有黄、绿、蓝三种或更 多颜色的滤色片，它的作用是使光源发 出的白光变为单色光。不同类型的物镜 使用不同的滤色片，滤色片可以改变相 的衬度，便于组织鉴别。 （3）孔径光栏 孔径光栏位于聚光透镜之后，用以调节 光源射入的光束粗细。一般显微镜的孔 径光栏是可以连续调节的。 当孔径光栏缩小时，进入物镜的光束变细，光线不 通过物镜透镜组的边缘，球面像差大大降低。但是光 束变细，使物镜的孔径角缩小，会使实际使用的数值 孔径下降，分辨率降低。当孔径光栏扩大时，入射光 束越粗，物镜的孔径角增大，可以使光线充满物镜的
9、 后透镜。这时数值孔径可以达到额定值（即物镜外壳 上的值），分辨率也随之提高，但是由于球面像差的 增加以及镜筒内部反射与炫光的增加，成像质量将降 低。因此孔径光栏对成像质量影响很大，使用时必须 做适当的调节，不能过大或过小，其合适程度应以光 束充满物镜后透镜为准，并根据成像的清晰程度来判 断。更换物镜后，孔径光栏必须做适当调节。需注意 的是不应用它来调节视场的亮度。 （4）视场光栏 视场光栏位于孔径光栏之后，调节视场 光栏可以改变显微镜视场的大小，而并 不影响物镜的分辨率。适当调节视场光 栏还可以减少镜筒内的反射及炫光，提 高成像的衬度和质量。但是要注意，视 场光栏缩得太小，会使观察范围太窄，
10、 一般应调节到与目镜视场大小相同。 （5）照明器 金相显微镜的照明系统中都配有垂直照 明器。目的是调节照明光束垂直转向。 通常照明器在两光束的交接点装一450斜 角的平面玻璃反射镜，来使光束垂直转 向。这种平面玻璃既的能反射光线，也 能透过光线，但这种由45 斜角的平面玻 璃组成的照明器光线散失大，最大可损 失90的光线。 （6）照明系统的光轴调整 为了保证光线均匀地照射在试样表面以 及得到亮度均匀地映像，要求照明光束 或成像放大光束与目镜、物镜主光轴同 心，平面玻璃的倾角恰好450。检查时， 可将试样聚焦后，缩小孔径光栏，取下 目镜，看镜筒中的亮斑是否在中心，如 果不在，可调节光栏位置或转动
11、平面玻 璃，使镜筒中的亮斑移向中心。 （3）显微镜的机械系统 金相显微镜的机械系统是由各种机构组 成的，它将光学系统和照明系统联成一 体，共同发挥作用。一般显微镜的机械 系统是由支撑装置和镜体部件组成。支 撑装置包括底座、镜架、载物台、微动 装置等，镜体部件包括物镜转换器、物 镜和目镜。 （4）显微镜的附件 显微镜的附件主要包括显微摄影装 置，偏光、暗场装置等等，这些附件我 们在做摄影实验、钢中非金属夹杂物的 实验中再做具体介绍。 （一）小型金相显微镜的使用操作（一）小型金相显微镜的使用操作 4型金相显微镜的光路与结构 4型金相显微镜的光学系统 1.一手握住灯座，一手转动压有直纹的偏心圈，使二
12、者红 色标点相对应，此时即可抽出灯座，更换灯泡或检查灯 泡外表是否清洁，安装是否妥当，然后将灯座再插入底 座内，4型金相显微镜用6V15W低压钨丝灯泡。 2. 灯泡电线与电源变压器次级相联，将变压器与电源相 接，开亮灯泡。 3.选用适当的载物台，将试样放在载物台上。 4. 按检验需要，选择物镜和目镜，并把它们分别装在物镜 转换器上和目镜筒内。 5. 缩小视场光栏，利用调节螺钉，使视场光栏中心与目镜视场中 心大致重合，然后再打开视场光栏，使其恰好消失于目镜视场 之外。 6. 调节孔径光栏使其直径在10mm左右，在其玻璃面放置一磨沙滤 色片或一绘图纸，移动或转动灯座以调节灯泡位置，使孔径光 栏获得
13、最明亮均匀的照明，此时转动偏心圈将灯座固定。 7. 根据观察要求和物镜特性，调节孔径光栏大小。 8. 调节粗动调焦手轮，先使物镜与试样距离约12mm。然后从目 镜中观察，当镜筒中调节的亮度最大或出现模糊像时，再用微 动调焦手轮仔细调焦，直到物像清晰位置。 (三)金相显微镜的维护保养 金相显微镜是精密光学仪器，使 用者必须熟悉仪器，准确操作并注意维 护保养，只有这样才能保持仪器精度， 避免损坏，显微镜的维护保养主要包括 以下几个方面： 1.防止机械损伤 2.防尘 3.防霉、防锈 1、 防止机械损伤 （1）显微镜最怕强烈振动，一受冲击，透镜 和微调装置就容易损坏。附件及镜头拆装，必 须小心，防止碰
14、撞和坠落。 （2）搬动显微镜必须用双手，一手扶住镜 架，一手扶住底座，不使可动部分担负整个显 微镜的重量。 （3）显微镜部件不要随意拆开分解，尤其是 物镜，其中透镜位置稍有变动就会使物镜失去 应有性能而不能使用。 （4）载物台使用时不应防止过重的物体，以 防止升降机构损坏。 2.防尘 （1）显微镜使用后应进行擦拭而保持清洁状 态，在擦拭时不得用手或手帕，而必须用镜头纸 或细绸去擦拭，尘埃用驼毛刷扫除。 （2）防止镜筒内落入灰尘，安装物镜和目镜 时应将镜头外侧灰尘擦净，物镜和目镜从显微镜 上拆卸后必须在物镜螺孔内旋入物镜螺孔盖，在 目镜管上套上管罩。 （3）物镜拆卸后及时放入物镜盒内，不用的 目
15、镜应用镜头纸包好。 （4）镜筒及镜头内的灰尘，用鼓气球的空气 吹去，而不是用嘴吹气。 （5） 显微镜使用完毕后应及时罩盖起来。 3.防霉、防锈 （1）显微镜室内应清洁干净，避免腐蚀性化学 品带入室内。长期不用，光学零件应放入干燥器 内。 （2）样品放在载物台上时要求干净、无油污和 腐蚀剂，严禁在室内侵蚀试样。 （3）物镜、目镜、聚光镜等镜面不准用手去触 摸，以免留下指纹和油污，影响镜面成像和助长 生霉。 （4）油镜使用后，必须立即用二甲苯擦洗干 净，如不擦洗干涸不易擦掉，而降低物镜性能。 三.实验内容 1.以4小型金相显微镜为例讲解显微镜 的构造、原理、使用操作和维护知识。 2.每人领取金相样品一块，熟练地进行小 型金相显微镜的调整使用。 四.实验报告要求 1. 写出实验目的。 2. 简述金相显微镜的构造，说明构造中 各部件的作用，并绘下所使用的金相显 微镜的光路图 3. 欲观察尺寸为0.8微米的碳化物颗粒， 如何确定放大倍数和选用的物镜和目镜。