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1、第3章 光学显微分析,3.1 概述 3.2 光学透镜的成像原理 3.3 金相显微镜 3.4 金相试样的制备 3.5 偏光显微镜,3.1 概述,1625年，人门第一次把一个放大用的工具命名为显微镜，直到1655年才开始用在科学上。,罗伯特虎克制造的显微镜（1665）,罗伯特虎克观察 到的细胞,1665,最早应用于科学用途的显微镜,列文虎克和他的显微镜（约1680）,列文虎克观察到的“小动物”,18世纪单筒显微镜,18世纪双筒显微镜,19世纪双筒显微镜,普通光学显微镜,相位差显微镜,解剖显微镜,光学显微镜,3.2 光学透镜的成像原理,1、 光的折射,2、 光的衍射,3、 透镜的像差,1. 光的折射
2、,光的折射特点：,（1）介质中光传播的速度越大，则该介质的折射率越小； （2）光在真空中的传播速度最大。 （3）同一介质的折射率因所用光波波长而异（折射率色散） 对于同一介质，光波的波长与折射率成反比。,光的折射定律：,凸透镜的五种成像规律,(1)当物体位于透镜物方二倍焦距以外时，则在像方二倍焦距以内、焦点以外形成缩小的倒立实像； (2) 当物体位于透镜物方二倍焦距上时，则在像方二倍焦距上形成同样大小的倒立实像； (3) 当物体位于透镜物方二倍焦距以内，焦点以外时，则在像方二倍焦距以外形成放大的倒立实像； (4) 当物体位于透镜物方焦点上时，则像方不能成像； (5) 当物体位于透镜物方焦点以内
3、时，则像方也无象的形成，而在透镜物方的同侧比物体远的位置形成放大的直立虚像。,2. 光的衍射,光在传播过程中，如果遇到障碍物，其传播方向会发生变化，能绕过障碍物的边缘而继续前进而发生衍射现象。,能分辨,恰能分辨,不能分辨,瑞利判据（Reyleighs criterion）：,对玻璃透镜，取最大孔径半角a = 7075，在物方介质为油的情况下，n 1.5，则其数值孔径n sina =1.25 1.35，上式可简化为,如果两个物点靠近，相应的两个Airy斑也逐渐重叠当斑中心间距等于Airy 斑半径时，强度峰谷值相差19，人眼可以分辨。,可见光的波长范围是390nm-760nm,3、光学透镜的像差,
4、像差：在成像中出现的所有缺陷和偏差。 按像差产生的原因来分类,单色像差（球差、像场弯曲、像散）,色差,P,象,P,透镜,物,P,光轴,球差,Rs越小，透镜的分辨率越高,透镜,物,P,光轴,色差,紫,红,3.3 金相显微镜,1、工作原理 2、显微镜的结构,1、工作原理,显微镜的放大倍数M可由下式确定：,物镜：靠近物体的透镜。,目镜：靠近眼睛的透镜。,物镜使物体AB 形成放大倒立的实像AB（称为中间像）,目镜将AB放大成倒立虚像AB。其位置正好是明视距离（约为250mm处），在显微镜里看到的就是这个虚像AB。,A,B,物镜,A,B,目镜,A,B,D,L,f目,L,修改图,物镜使物体AB 形成放大倒
5、立的实像A1B1（称为中间像）,目镜将A1B1放大成倒立虚像A3B3。其位置正好是明视距离（约为250mm处），在显微镜里看到的就是这个虚像A3B3。,2、 显微镜的结构,机械和支架系统,滤光片,光学显微镜基本结构： 1. 照明灯 2. 聚光器 3. 载物台和切片夹 4. 推进器 5. 物镜 6. 粗细螺旋 7. 目镜 8. 照相机等接口,物镜(objective),物镜是光学显微镜成像系统中决定其分辨率（分辨本领）的最关键部件。,根据像差的校正程度，物镜可分为下列几种 (1)消色差物镜（apochromatic objective） (2)复消色差物镜(apochromatic object
6、ive APO) (3)萤石物镜(fluorite objective FL) (4)平场物镜(planobjective) “PL”(平场消色差物镜) “PLAPO”(平场复消色差物镜) “PLFL”（平场萤石物镜）,物镜的种类,消色差物镜（apochromatic objective）,色差校正使可见光中红光和蓝光聚焦于一点，而黄绿光则聚焦于另一点。能够消除光谱中红光和蓝光所形成的色差。这种物镜与目镜配用时可达到消色差物镜所要求的光学性能。,根据介质情况分 (1)干燥系(dry system)物镜 (2)浸没系(immersion system)物镜 油浸物镜外壳上刻有：“oil”、 “i
7、mm”和“HI”等字样 水浸物镜刻有“W”或“Water”字样 油、水浸两用物镜则刻上“oil+w”字样 甘油浸没物镜刻有“Glyc“或“Glyz”等字样,物镜的识别,1）物镜类型 国产：用英文缩写 国外：用英文名称 2)放大倍数 用数字表示，如4、10 、20 、40 和100 等。 3)数值孔径（NA） 如0.25，0.65和1.3 4)标准机械筒长 1600.17 1600或160-；0或- 5)需用盖片情况 6)物镜与被检样品间的介质情况 干镜头一般不标符号，凡油浸标“HI”或“oil”,目镜(eyepiece，ocular),目镜可分下列几种： 1惠更斯目镜(Huygeian eye
8、pieces) 2兰姆斯登目镜(Ramsden eyepieces) 3补偿目镜(compensating eyepieces) 4平场目镜(planeyepiece) “PEN PLAN”、“PLANOSCOPIC”、“PLAN”、“KPL“、“GF”和“GW”等。 5摄影目镜(photographiceyepiece),1钨丝灯 通常，工作电压6-8 V,功率15-100W 2卤钨灯 “碘钨循环”I2-2I-WI2-W+I2 3、碳弧灯 采用交流电，使相互接近的碳棒，产生强烈的电弧而发光 4、氙灯 石英玻璃管内装钨电极并冲入高压氙气，利用放电发光,照明光源（light source）,聚光
9、镜（condenser） 光源射出的光线通过聚光器汇聚成光锥照射标本，增强明度和造成适宜的光锥角度，提高物镜的分辨力。聚光器由聚光镜和虹彩光圈组成。调节聚光镜的高度和虹彩光圈的大小，可得到适当的光照和清晰的图像。,滤光片（filter） 选用适当的滤光片，可以提高分辨力，增加影像的反差和清晰度。滤光片有紫、青、蓝、绿、黄、橙、红等各种颜色的，分别透过不同波长的可见光，可根据标本本身的颜色，在聚光器下加相应的滤光片。,(1)数值孔径(numerial aperture),显微镜的能力,(2)分辨率(resolving power),(3)放大率(magnification),(4)焦点深度(de
10、pth of focus),3.4 金相试样的制备,取样 镶样 磨光 抛光 显示,磨 制,究竟选用何种方法，则视零件的大小、性质、材质和热处理工艺等具体条件而定，但截取的试样必须保证观察面的组织不受到影响。,截取金相试样的方法很多，方法和种类如图所示。,金相试样切割机,1、取样,试样截取方法,气割,机械法,线切割,砂轮切割,锯,机床,打断,车床,铣床,刨床,2、镶样,小试样的夹持方法 （a）薄片试样； （b）块状试样,一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶样，但试样尺寸过小或形状极不规则者，如带、丝、片、管，制备试样十分困难，就必须把试样镶嵌起来。,热镶样机,热镶嵌-镶嵌材料有热固性塑料(如
11、电木粉)、热塑性塑料(如聚氯乙烯) 。电木粉不透明，有各种颜色，比较硬，试样不易倒角，但耐腐蚀性能比较差；聚氯乙烯为半透明或透明的，耐腐蚀性能好，但较软。镶样均需用专门的镶样机加压加热成型。,冷镶嵌-对温度及压力极敏感的材料(如淬火马氏体与易发生塑性变形的软金属)，以及微裂纹的试样。环氧树脂、牙托粉镶嵌法对粉末金属，陶瓷多孔性试样特别适用。,3、磨光,手工磨光是把砂纸平置于玻璃板上，然后将试样用手轻压在砂纸上作同前平推、提起、拉回，再向前平推三个基本动作，直到这一道磨光工序符合要求为止。,（2）细磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一步抛光打好基础。,（1）粗磨的目的是整平试样，并磨成合
12、适的形状,通常在砂论机上进行。,试样经过切削磨光后变形层厚度变化示意图,金相砂纸的规格,水磨砂纸的编号、粒度号与粒度尺寸,4、抛光,机械抛光是当前应用最广的抛光方法，它是在专门的金相试样抛光机上进行的。细磨后的试样经冲洗（避免粗磨粒带入抛光工序）后，将其磨面轻轻地置于抛光盘上进行抛光。,抛光用的织物可用粘结剂粘在抛光盘表面，也可用套圈箍紧在抛光盘上。织物的作用是保存抛光剂和摩擦磨面使之光亮。,抛光粉有不同粒度，分成W7、W5、W3直到W0.25等。W7表示最粗磨粒直径为7m；如此类推。,抛光机,抛光的目的是要尽快把磨光留下的细微磨痕成为光亮无痕的镜面。金相试样的抛光基本分为：机械抛光、电解抛光
13、、化学抛光三类。,电解抛光装置与电解光原理 (a) 电解抛光装置 （b）电解抛光原理,4、显示,常用的组织的显示方法：,试样机械抛光后，在显微镜下，只能看到光亮的磨面及夹杂物等。要对试样的组织进行显微分析，还必须让试样经过腐蚀。,纯金属及单相合金化学腐蚀示意图,由于晶界上原子排列不规则，具有较高自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出来，,金属材料常用的腐蚀剂,3.5.1 偏光显微镜,偏光显微镜是用于研究所谓透明与不透明各向异性材料的一种显微镜。凡具有双折射的物质，在偏光显微镜下就能分辨的清楚。,自然光和偏振光,光波是横波，E、H、v三者都是垂直的。可引起人的视觉的只有 E 矢量，故称E
14、 矢量为光矢量。,自然光,自然光：包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。如太阳、电灯等普通光源发出的光。,偏振光,偏振光：光波的光矢量在一个固定的平面内只沿着一个方向振动。,线偏振光的获得,线偏振光,1、用偏振片获得线偏振光,2、用双折射法获得偏振光,O光（寻常光）遵守折射定律 e光（非常光）不遵守折射定律,尼克尔棱镜,原理：把自然光分成寻常光和非寻常光，然后利用全反射把寻常光反射到棱镜侧壁上，只让非寻常光通过，从而获得一束振动方向固定的线偏振光。,对于o光,产生全反射,对于e光,可以透过，则获得偏振光。,尼克尔棱镜比较贵,多用于高级光学实验。,加
15、工后将两块方解石用加拿大胶粘合起来，,布儒斯特角,线偏振光,3、用反射和折射法获得偏振光,布儒斯特定律,偏振光的类型及鉴别,线偏振光 当起偏镜位置固定，而转动检偏镜时，每转动360o，可以出现两次强光和两次消光现象。 椭圆偏振光 当起偏镜位置固定，而转动检偏镜时，每转动360o，可以出现两次强光和两次弱光现象，不发生消光现象。 圆偏振光 当起偏镜位置固定，而转动检偏镜时，每转动360o，通过的强度都相等。,3.5.2 显微镜的偏光装置,镜臂、镜筒、镜座、 反光镜、下偏光镜、 锁光圈、聚光镜、载物台、 物镜、目镜、 上偏光镜、勃氏镜、 粗调螺丝、细调螺丝、 附件等,偏光显微镜的构造,1、目镜，2、镜筒，3、勃氏镜，4、粗动手轮，5、微调手轮，6、镜臂，7、镜座，8、上偏光镜，9、试板孔，10、物镜，11、载物台，12、聚光镜，13、锁光圈，14、下偏光镜，15、反光镜,镜臂,反光镜,镜座,偏光显微镜的调节 装卸镜头 对光 准焦 校正中心 校正偏光镜,小 结,1、光学显微镜的工作原理 2、金相试样的制备过程 3、偏振光显微镜的原理和应用,第三章 光学显微镜习题,1.光学透镜的成像原理 光的折射 、光的衍射。,2.金相试样的制备的过程 取样、镶样 、磨光 、抛光、显示。,3.透镜的像差 球差、色差。,4.显微镜的能力 数值孔径、分辨率、放大率、焦点深度。,5.实际操作,
