金相顯微鏡是將光學顯微鏡技術、光電轉換技術、計算機圖像處理技術完美地結合在一起而開發(fā)研制成的高科技產品，可以在計算機上很方便地觀察金相圖像，從而對金相圖譜進行分析，評級等以及對圖片進行輸出、打印。 眾所周知，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部組織、結構的變化，從而使機件的機械性能發(fā)生變化。因此用金相顯微鏡來觀察檢驗分析金屬內部的組織結構是工業(yè)生產中的一種重要手段 。
金相顯微鏡主要由光學系統、照明系統、機械系統、附件裝置(包括攝影或其它如顯微硬度等裝置)組成。根據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對這些組織組成物進行光學研究并定性和定量描述。它可顯示500～0.2m尺度內的金屬組織特征。早在1841年，俄國人(п．п．Ансов) 就在放大鏡下研究了大馬士革鋼劍上的花紋。至1863年,英國人(H.C.Sorby)把巖相學的方法，包括試樣的制備、拋光和腐刻等技術移植到鋼鐵研究，發(fā)展了金相技術，后來還拍出一批低放大倍數的和其他組織的金相照片。索比和他的同代人德國人(A.Martens)及法國人(F. Osmond)的科學實踐，為現代光學金相顯微術奠定了基礎。至20世紀初，光學金相顯微術日臻完善，并普遍推廣使用于金屬和合金的微觀分析，迄今仍然是金屬學領域中的一項基本技術。
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[光學顯微鏡 a 立式顯微鏡 b 臥式顯微鏡]。它們都包括光學放大、照明和機械三個系統。
放大系統 是影響顯微鏡用途和質量的關鍵。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為光學鏡筒長度；250為明視距離。長度單位皆為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量的重要標志。在金相技術中分辨率指的是物鏡對目的物的最小分辨距離。由于光的衍射現象，物鏡的最小分辨距離是有限的。德國人阿貝(Abb)對最小分辨距離()提出了以下公式d=λ/2nsinφ式中[kg2][kg2]為光源波長； n為樣品和物鏡間介質的折射系數（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[kg2][kg2]在4000～7000之間。在[kg2][kg2]角接近于90的最有利的情況下，分辨距離也不會比[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，都可以用光學顯微鏡觀察。這對于分析合金性能、了解冶金過程、進行冶金產品質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，也是影響成象質量的重要因素。在低倍情況下，象差主要通過物鏡進行校正，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，其中對單色光的五種是球面象差、彗星象差、象散性、象場彎曲和畸變。對復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，根據校正的程度而有消色差和復消色差物鏡。近期的金相顯微鏡，對象場彎曲和畸變等象差，也給予了足夠的重視。物鏡和目鏡經過這些象差校正后，不僅圖象清晰，并可在較大的范圍內保持其平面性，這對金相顯微照相尤為重要。因而現已廣泛采用平場消色差物鏡、平場復消色差物鏡以及廣視場目鏡等。上述象差校正程度，都分別以鏡頭類型的形式標志在物鏡和目鏡上。
光源 最早的金相顯微鏡，采用一般的白熾燈泡照明，以后為了提高亮度及照明效果，出現了低壓鎢絲燈、碳弧燈、氙燈、鹵素燈、水銀燈等。有些特殊性能的顯微鏡需要單色光源，鈉光燈、鉈燈能發(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，也就是垂直照明裝置。1872年蘭(V.vonLang)創(chuàng)造出這種裝置,并制成了第一臺金相顯微鏡。原始的金相顯微鏡只有明場照明，以后發(fā)展用斜光照明以提高某些組織的襯度。
金相顯微鏡具有獨特的特點：
·超大型載物臺，樣品可以大范圍的快慢速移動，擴大檢測領域的使用范圍，適用于電子、機械、化工、科研、院校等部門，以及金相技術檢驗、失效分析等。
金相顯微鏡主要用于鑒定和分析金屬內部結構組織,它是金屬學研究金相的重要儀器,是工業(yè)部門鑒定產品質量的關鍵設備,該儀器配用攝像裝置,可攝取金相圖譜,并對圖譜進行測量分析,對圖象進行編輯、輸出、存儲、管理等功能.
金相顯微鏡由于易于操作、視場較大、價格相對低廉,直到現在仍然是常規(guī)檢驗和研究工作中最常使用的儀器.近年來金相顯微鏡的改進主要有以下幾點:
普遍采用無限遠光學系統
物鏡按照無限遠象距進行設計而不是象常規(guī)物鏡那樣按照有限象距進行設計,這種光學系統稱為無限遠色差和象差校正的光學系統或簡稱無限遠光學系統.使用這種光學系統時,當入射光從試樣表面反射再次進入物鏡后,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,即一次放大實象,然后才供目鏡再次放大.無限遠光學系統的優(yōu)點是顯微鏡中的各種光學附件(如暗視場光束分離器、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附件的干擾,物象的質量不會受到損害,從而簡化了物鏡設計中色差和象差的校正.此外,在無限遠光學系統中,鏡筒長度系數保持為一,無論物鏡與目鏡之間的距離有多遠,也不需要一個固定的中轉透鏡系統.目前,德國的公司和公司、日本的公司和olympus公司生產的金相顯微鏡均已先后采用無限遠光學系統設計.
同焦面性設計
在新型顯微鏡中,更換物鏡及目鏡后不須重新調焦,一般只需略微調節(jié)微調旋鈕,就可以使物象準確聚焦.為此,物鏡和目鏡的光學機械尺寸應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象象面之間的距離)相等:②所有物鏡初次放大實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象的象面重合.同焦面性并不是物鏡或目鏡的一個固有特性,而是在新型顯微鏡的設計中為了便于使用者的操作而采取的一種措施.
對顯微鏡有效放大倍數的再認識
顯微鏡的有效放大倍數(M)與物鏡數值孔徑(NA)的關系可以表示為:550NA＜M＜1100NA>,長期以來,顯微鏡使用者一直遵循這一關系式.但是,VanderVoort在其所著《金相學——原理與實踐》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出的,因此不要當做教條來遵循.實際上,分辨率不僅與物鏡的分辨率有關,而且還與物象的反差有關.此外,照明條件、放大倍數、物鏡質量,以及觀察條件都會影響物象的反差,因而也會影響分辨率.他指出,為了獲得最高分辨率,最低有效放大倍數應當是最佳條件下的4倍左右,即M≈2200NA;同時,使用4000×或更高放大倍數的顯微照片也是完全合理的.
平場消色差物鏡
現今新型顯微鏡已經普遍使用平場消色差物鏡,甚至還可以配置更高級的平場復消色差物鏡.老式物鏡初次放大實象的直徑只有18mm～20mm,而平場消色差物鏡則規(guī)定高度校正的初次放大平面象的直徑為28mm,即象場面積增大了一倍,并使象場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,現今顯微鏡一般均備有高倍干物鏡.例如nikon公司生產的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1.40),但由于簡化了操作并使試樣免于被油污染,現今已獲得更為廣泛的使用.近年來,olympus公司生產的GX系列顯微鏡甚至還配置有更高倍數(250×)的干物鏡,盡管其NA值只有0.90,但是用它來進行觀察或拍照,已經很容易使其放大倍數遠超過傳統上使用的數值(1100NA),這進一步證實了以上第1.3小節(jié)介紹的觀點是正確的.圖2為olympus公司生產的GX71型金相顯微鏡.圖1nikonEPIPHOT300型金相顯微鏡
廣視場目鏡
廣視場目鏡的結構特點是場光闌顯著增大,一般為22mm～26.5mm(老式目鏡的場光闌直徑只有16mm),充分利用了平場物鏡擴大了的象場面積.
此外,有的顯微鏡還配置有高眼點目鏡,使眼睛有缺陷(如散光)的人可以戴著眼鏡進行觀察,物象的質量可以免受眼睛缺陷的影響.由于平場消色差物鏡和廣視場目鏡的推廣使用,使顯微組織觀察的視域擴大了許多,這也相應提高了對顯微鏡載物臺加工精度和試樣制備質量的要求.
長工作距離物鏡
有些顯微鏡生產廠商還推出一些工作距離較長的物鏡,這是為了適應生產檢驗或特殊需要(例如高溫臺)而設計的.通常情況下,物鏡的放大倍數越高,工作距離(即物象聚焦時,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,于是就設計了這種特殊物鏡.例如nikonEPIPHOT300型金相顯微鏡的物鏡系列中就有50×和100×兩個工作距離分別為8.7mm和2.0mm的長工作距離物鏡,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,長工作距離物鏡的數值孔徑即分辨率有所下降,不過成像質量仍然不錯.
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