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金相顯微鏡的前世今生-上海光學(xué)儀器一廠
金相顯微鏡是將光學(xué)顯微鏡技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)地結(jié)合在一起而開發(fā)研制成的高科技產(chǎn)品，可以在計(jì)算機(jī)上很方便地觀察金相圖像，從而對(duì)金相圖譜進(jìn)行分析，評(píng)級(jí)等以及對(duì)圖片進(jìn)行輸出、打印。*，合金的成分、熱處理工藝、冷熱加工工藝直接影響金屬材料的內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)的變化，從而使機(jī)件的機(jī)械性能發(fā)生變化。因此用金相顯微鏡來觀察檢驗(yàn)分析金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)是工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要手段。
金相顯微鏡主要由光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、附件裝置(包括攝影或其它如顯微硬度等裝置)組成。根據(jù)金屬樣品表面上不同組織組成物的光反射特征，用顯微鏡在可見光范圍內(nèi)對(duì)這些組織組成物進(jìn)行光學(xué)研究并定性和定量描述。它可顯示500～0.2m尺度內(nèi)的金屬組織特征。早在1841年，俄國(guó)人(п．п．Ансов)就在放大鏡下研究了大瑪士革鋼劍上的花紋。至1863年,英國(guó)人(H.C.Sorby)把巖相學(xué)的方法，包括試樣的制備、拋光和腐刻等技術(shù)移植到鋼鐵研究，發(fā)展了金相技術(shù)，后來還拍出一批低放大倍數(shù)的和其他組織的金相照片。索比和他的同代人德國(guó)人(A.Martens)及法國(guó)人(F.Osmond)的科學(xué)實(shí)踐，為現(xiàn)代光學(xué)金相顯微術(shù)奠定了基礎(chǔ)。至20世紀(jì)初，光學(xué)金相顯微術(shù)日臻完善，并普遍推廣使用于金屬和合金的微觀分析，迄今仍然是金屬學(xué)領(lǐng)域中的一項(xiàng)基本技術(shù)。
金相顯微鏡是用可見光作為照明源的一種顯微鏡。分立式和臥式,見圖1[光學(xué)顯微鏡a立式顯微鏡b臥式顯微鏡]。它們都包括光學(xué)放大、照明和機(jī)械三個(gè)系統(tǒng)。
放大系統(tǒng)是影響顯微鏡用途和質(zhì)量的關(guān)鍵。主要由物鏡和目鏡組成。其光路見圖2[金相顯微鏡光路圖]。顯微鏡的放大率為：M顯=L/f物×250/f目=M顯×M目式中[m1]M顯——表示顯微鏡放大率；[m2]M物、[m3]M目和[f2]f物、[f1]f目分別表示物鏡和目鏡的放大率和焦距；L為光學(xué)鏡筒長(zhǎng)度；250為明視距離。長(zhǎng)度單位皆為mm。
分辨率和象差透鏡的分辨率和象差缺陷的校正程度是衡量顯微鏡質(zhì)量的重要標(biāo)志。在金相技術(shù)中分辨率指的是物鏡對(duì)目的物的zui小分辨距離。由于光的衍射現(xiàn)象，物鏡的zui小分辨距離是有限的。德國(guó)人阿貝(Abb)對(duì)zui小分辨距離()提出了以下公式d=λ/2nsinφ式中[kg2][kg2]為光源波長(zhǎng)；n為樣品和物鏡間介質(zhì)的折射系數(shù)（空氣;=1；松節(jié)油：=1.5）；φ為物鏡的孔徑角之半。
從上式可知，分辨率隨著和的增加而提高。由于可見光的波長(zhǎng)[kg2][kg2]在4000～7000之間。在[kg2][kg2]角接近于90的zui有利的情況下，分辨距離也不會(huì)比[kg2]0.2m[kg2]更高。因此，小于[kg2]0.2m[kg2]的顯微組織，必須借助于電子顯微鏡來觀察（見）,而尺度介于[kg2]0.2～500m[kg2]之間的組織形貌、分布、晶粒度的變化，以及滑移帶的厚度和間隔等，都可以用光學(xué)顯微鏡觀察。這對(duì)于分析合金性能、了解冶金過程、進(jìn)行冶金產(chǎn)品質(zhì)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，也是影響成象質(zhì)量的重要因素。在低倍情況下，象差主要通過物鏡進(jìn)行校正，在高倍情況下，則需要目鏡和物鏡配合校正。透鏡的象差主要有七種，其中對(duì)單色光的五種是球面象差、彗星象差、象散性、象場(chǎng)彎曲和畸變。對(duì)復(fù)色光有縱向色差和橫向色差兩種。早期的顯微鏡主要著眼于色差和部分球面象差的校正，根據(jù)校正的程度而有消色差和復(fù)消色差物鏡。近期的金相顯微鏡，對(duì)象場(chǎng)彎曲和畸變等象差，也給予了足夠的重視。物鏡和目鏡經(jīng)過這些象差校正后，不僅圖象清晰，并可在較大的范圍內(nèi)保持其平面性，這對(duì)金相顯微照相尤為重要。因而現(xiàn)已廣泛采用平場(chǎng)消色差物鏡、平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡以及廣視場(chǎng)目鏡等。上述象差校正程度，都分別以鏡頭類型的形式標(biāo)志在物鏡和目鏡上。
光源zui早的金相顯微鏡，采用一般的白熾燈泡照明，以后為了提高亮度及照明效果，出現(xiàn)了低壓鎢絲燈、碳弧燈、氙燈、鹵素?zé)?、水銀燈等。有些特殊性能的顯微鏡需要單色光源，鈉光燈、tuo燈能發(fā)出單色光。
照明方式金相顯微鏡與生物顯微鏡不同，它不是用透射光,而是采用反射光成像,因而必須有一套特殊的附加照明系統(tǒng)，也就是垂直照明裝置。1872年蘭(V.vonLang)創(chuàng)造出這種裝置,并制成了*臺(tái)金相顯微鏡。原始的金相顯微鏡只有明場(chǎng)照明，以后發(fā)展用斜光照明以提高某些組織的襯度。
金相顯微鏡具有*的特點(diǎn)：
·超大型載物臺(tái)，樣品可以大范圍的快慢速移動(dòng)，擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域的使用范圍，適用于電子、機(jī)械、化工、科研、院校等部門，以及金相技術(shù)檢驗(yàn)、失效分析等。
金相顯微鏡主要用于鑒定和分析金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織,它是金屬學(xué)研究金相的重要儀器,是工業(yè)部門鑒定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備,該儀器配用攝像裝置,可攝取金相圖譜,并對(duì)圖譜進(jìn)行測(cè)量分析,對(duì)圖象進(jìn)行編輯、輸出、存儲(chǔ)、管理等功能.
金相顯微鏡由于易于操作、視場(chǎng)較大、價(jià)格相對(duì)低廉,直到現(xiàn)在仍然是常規(guī)檢驗(yàn)和研究工作中zui常使用的儀器.近年來金相顯微鏡的改進(jìn)主要有以下幾點(diǎn):
普遍采用無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)
物鏡按照無限遠(yuǎn)象距進(jìn)行設(shè)計(jì)而不是象常規(guī)物鏡那樣按照有限象距進(jìn)行設(shè)計(jì),這種光學(xué)系統(tǒng)稱為無限遠(yuǎn)色差和象差校正的光學(xué)系統(tǒng)或簡(jiǎn)稱無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng).使用這種光學(xué)系統(tǒng)時(shí),當(dāng)入射光從試樣表面反射再次進(jìn)入物鏡后,并不收斂而是保持為平行光束,直到通過鏡筒透鏡后才收斂并形成中間象,即一次放大實(shí)象,然后才供目鏡再次放大.無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是顯微鏡中的各種光學(xué)附件(如暗視場(chǎng)光束分離器、偏振光分離器、用于微差干涉襯度)的棱鏡、檢偏振鏡,以及其它附加濾色鏡等)都可以放置在物鏡凸緣與鏡簡(jiǎn)透鏡之間平行光束的空間,由于成象光束沒有受到上述光學(xué)附件的干擾,物象的質(zhì)量不會(huì)受到損害,從而簡(jiǎn)化了物鏡設(shè)計(jì)中色差和象差的校正.此外,在無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)中,鏡筒長(zhǎng)度系數(shù)保持為一,無論物鏡與目鏡之間的距離有多遠(yuǎn),也不需要一個(gè)固定的中轉(zhuǎn)透鏡系統(tǒng).目前,德國(guó)的公司和公司、日本的公司和olympus公司生產(chǎn)的金相顯微鏡均已先后采用無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì).
同焦面性設(shè)計(jì)
在新型顯微鏡中,更換物鏡及目鏡后不須重新調(diào)焦,一般只需略微調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕,就可以使物象準(zhǔn)確聚焦.為此,物鏡和目鏡的光學(xué)機(jī)械尺寸應(yīng)滿足同焦面性的要求,即:①所有物鏡的共軛距離(即從試樣表面到物鏡初次放大實(shí)象象面之間的距離)相等:②所有物鏡初次放大實(shí)象到目鏡鏡筒口的距離不變;③所有目鏡的焦面與物鏡初次放大實(shí)象的象面重合.同焦面性并不是物鏡或目鏡的一個(gè)固有特性,而是在新型顯微鏡的設(shè)計(jì)中為了便于使用者的操作而采取的一種措施.
對(duì)顯微鏡有效放大倍數(shù)的再認(rèn)識(shí)
顯微鏡的有效放大倍數(shù)(M)與物鏡數(shù)值孔徑(NA)的關(guān)系可以表示為:550NA＜M＜1100NA>,長(zhǎng)期以來,顯微鏡使用者一直遵循這一關(guān)系式.但是,VanderVoort在其所著《金相學(xué)——原理與實(shí)踐》一書中指出,上式是在用理想的眼睛觀察具有理想反差物象的條件下推導(dǎo)出的,因此不要當(dāng)做教條來遵循.實(shí)際上,分辨率不僅與物鏡的分辨率有關(guān),而且還與物象的反差有關(guān).此外,照明條件、放大倍數(shù)、物鏡質(zhì)量,以及觀察條件都會(huì)影響物象的反差,因而也會(huì)影響分辨率.他指出,為了獲得zui高分辨率,zui低有效放大倍數(shù)應(yīng)當(dāng)是*條件下的4倍左右,即M≈2200NA;同時(shí),使用4000×或更高放大倍數(shù)的顯微照片也是*合理的.
平場(chǎng)消色差物鏡
現(xiàn)今新型顯微鏡已經(jīng)普遍使用平場(chǎng)消色差物鏡,甚至還可以配置更的平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡.老式物鏡初次放大實(shí)象的直徑只有18mm～20mm,而平場(chǎng)消色差物鏡則規(guī)定高度校正的初次放大平面象的直徑為28mm,即象場(chǎng)面積增大了一倍,并使象場(chǎng)彎曲得到了很好的校正.
高倍干物鏡
為了便于觀察高倍顯微組織,現(xiàn)今顯微鏡一般均備有高倍干物鏡.例如nikon公司生產(chǎn)的EPIPHOT300型金相顯微鏡(圖1)配置有放大100×、150×、200×的CFPlanApoEPI型干物鏡,其NA值均為0.95.盡管干物鏡的分辨率明顯低于油浸物鏡(100×油浸物鏡的NA值一般可達(dá)1.40),但由于簡(jiǎn)化了操作并使試樣免于被油污染,現(xiàn)今已獲得更為廣泛的使用.近年來,olympus公司生產(chǎn)的GX系列顯微鏡甚至還配置有更高倍數(shù)(250×)的干物鏡,盡管其NA值只有0.90,但是用它來進(jìn)行觀察或拍照,已經(jīng)很容易使其放大倍數(shù)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)上使用的數(shù)值(1100NA),這進(jìn)一步證實(shí)了以上第1.3小節(jié)介紹的觀點(diǎn)是正確的.圖2為olympus公司生產(chǎn)的GX71型金相顯微鏡.圖1nikonEPIPHOT300型金相顯微鏡
廣視場(chǎng)目鏡
廣視場(chǎng)目鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是場(chǎng)光闌顯著增大,一般為22mm～26.5mm(老式目鏡的場(chǎng)光闌直徑只有16mm),充分利用了平場(chǎng)物鏡擴(kuò)大了的象場(chǎng)面積.
此外,有的顯微鏡還配置有高眼點(diǎn)目鏡,使眼睛有缺陷(如散光)的人可以戴著眼鏡進(jìn)行觀察,物象的質(zhì)量可以免受眼睛缺陷的影響.由于平場(chǎng)消色差物鏡和廣視場(chǎng)目鏡的推廣使用,使顯微組織觀察的視域擴(kuò)大了許多,這也相應(yīng)提高了對(duì)顯微鏡載物臺(tái)加工精度和試樣制備質(zhì)量的要求.
長(zhǎng)工作距離物鏡
有些顯微鏡生產(chǎn)廠商還推出一些工作距離較長(zhǎng)的物鏡,這是為了適應(yīng)生產(chǎn)檢驗(yàn)或特殊需要(例如高溫臺(tái))而設(shè)計(jì)的.通常情況下,物鏡的放大倍數(shù)越高,工作距離(即物象聚焦時(shí),物鏡接物透鏡與試樣之間的距離)越短,為了避免物鏡因工作中不慎觸及試樣或受熱而損壞,于是就設(shè)計(jì)了這種特殊物鏡.例如nikonEPIPHOT300型金相顯微鏡的物鏡系列中就有50×和100×兩個(gè)工作距離分別為8.7mm和2.0mm的長(zhǎng)工作距離物鏡,其NA值分別為0.55和0.8;又如olympusGX系列顯微鏡也可配50×和100×工作距離分別為10.6mm和3.4mm的長(zhǎng)工作距離物鏡,其NA值分別為0.55和0.8,而50×和100×普通物鏡的工作距離則分別只有0.54mm和0.3mm,但是其NA值則分別為0.8和0.95.可以看出,長(zhǎng)工作距離物鏡的數(shù)值孔徑即分辨率有所下降,不過成像質(zhì)量仍然不錯(cuò).
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