一.金相顯微鏡的構(gòu)造
金相顯微鏡的種類和型式很多,zui常見的有臺式、立式和臥式三大類。金相顯微鏡的構(gòu)造通常由光學系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和機械系統(tǒng)三大部分組成,有的顯微鏡還附帶有多種功能及攝影裝置。目前,已把顯微鏡與計算機及相關(guān)的分析系統(tǒng)相連,能更方便、更快捷地進行金相分析研究工作。
1.光學系統(tǒng):
其主要構(gòu)件是物鏡和目鏡,它們主要起放大作用。并獲得清晰的圖象。物鏡的優(yōu)劣直接影響成象的質(zhì)量。而目鏡是將物鏡放大的象再次放大。
2.照明系統(tǒng):
主要包括光源和照明器以及其它主要附件
(1)光源的種類:
包括白熾燈(鎢絲燈)、鹵鎢燈、碳弧燈、氙燈和水銀燈等。常用的是白熾燈和氙燈,一般白熾燈適應于作為中、小型顯微鏡上的光源使用,電壓為6—12伏,功率15—30瓦。而氙燈通過瞬間脈沖高壓點燃,一般正常工作電壓為18伏,功率為150瓦,適用于特殊功能的觀察和攝影之用。一般大型金相顯微鏡常同時配有兩種照明光源,以適應普通觀察和特殊情況的觀察與攝影之用。
(2)光源的照明方式:
主要有臨界照明和科勒照明。散光照明和平行光照明適應于特殊情況使用。
1)臨界照明:光源的象聚焦在樣品表面上,雖然可得到很高的亮度,但對光源本身亮度的均勻性要求很高。目前很少使用。
2)科勒照明:特點是光源的一次象聚焦在孔徑光欄上,視場光欄和光源一次象同時聚焦在樣品表面上,提供了一個很均勻的照明場,目前廣泛使用。
3)散光照明:特點是照明效率低,只適應投射型鎢絲燈照明。
4)平行光:照明的效果較差,主要用于暗場照明,適應于各類光源。
(3)光路形式
按光路設計的形式,顯微鏡有直立式和倒立式兩種,凡樣品磨面向上,物鏡向下的為直立式,而樣品磨面向下,物鏡向上的為倒立式。
(4)孔徑光欄和視場光欄
孔徑光欄位于光源附近,用于調(diào)節(jié)入射光束的粗細,以改變圖象的質(zhì)量??s小孔徑光欄可減少球差和軸外象差,加大襯度,使圖象清晰,但會使物鏡的分辨率降低。視場光欄位于另一個支架上,調(diào)節(jié)視場光欄的大小可改變視域的大小,視場光欄愈小,圖象襯度愈佳,觀察時調(diào)至與目鏡視域同樣大小。
(5)濾色片
用于吸收白光中不需要的部分,只讓一定波長的光線通過,獲得優(yōu)良的圖象。一般有黃色、綠色和藍色等。
3.機械系統(tǒng)
主要包括載物臺,鏡筒、調(diào)節(jié)螺絲和底座。
(1)載物臺:用于放置金相樣品。
(2)鏡筒:用于聯(lián)結(jié)物鏡、目鏡等部件。
(3)調(diào)節(jié)螺絲:有粗調(diào)和細調(diào)螺絲,用于圖象的聚焦調(diào)節(jié)。
(4)底座:起支承鏡體的作用。
二.光學顯微鏡的放大成像原理及參數(shù)
1.金相顯微鏡的成像原理,
顯微鏡的成象放大部分主要由兩組透鏡組成??拷^察物體的透鏡叫物鏡,而靠近眼睛的透鏡叫目鏡。通過物鏡和目鏡的兩次放大,就能將物體放大到較高的倍數(shù),見圖1,顯微鏡的放大光學原理圖。物體AB置于物鏡前,離其焦點略遠處,物體的反射光線穿過物鏡折射后,得到了一個放大的實象A1B1,若此象處于目鏡的焦距之內(nèi),通過目鏡觀察到的圖象是目鏡放大了的虛象A2B2。
2.顯微鏡的放大倍數(shù)
物鏡的放大倍數(shù)M物=A1B1/AB≈L╱F1
目鏡的放大倍數(shù)=A2B2/A1B1≈D╱F2
兩式相乘:M物×M目=A1B1/AB×A2B2/A1B1=A2B2/AB
=L╱F1×D╱F2=L×250╱F1×F2=M總
式中:L—為光學鏡筒長度(即物鏡后焦點到目鏡前焦點的距離)
F1—物鏡的焦距。F2—目鏡的焦距
D—明視距離(人眼的正常明視距離為250mm)
即顯微鏡總的放大倍數(shù)等于物鏡放大倍數(shù)和目鏡放大倍數(shù)的乘積。一般金相顯微鏡的放大倍數(shù)zui高可達1600到2000倍。
由此可看出:因為L光學鏡筒長度為定值,可見物鏡的放大倍數(shù)越大,其焦距越短。在顯微鏡設計時,目鏡的焦點位置與物鏡放大所成的實象位置接近,并使目鏡所成的zui終倒立虛象在距眼睛250毫米處成象,這樣使所成的圖象看得很清楚。
顯微鏡的主要放大倍數(shù)一般通過物鏡來保證,物鏡的zui高放大倍數(shù)可達100倍,目鏡的zui高放大倍數(shù)可達25倍。放大倍數(shù)分別標注在物鏡和目鏡各自的鏡筒上。在用金相顯微鏡觀察組織時,應根據(jù)組織的粗細情況,選擇適當?shù)姆糯蟊稊?shù),以使組織細節(jié)部分能觀察清楚為準,不要只追求過高的放大倍數(shù),因為放大倍數(shù)與透鏡的焦距有關(guān),放大倍數(shù)越大,焦距越小,會帶來許多缺陷。
3.透鏡象差:
透鏡象差就是透鏡在成象過程中,由于本身幾何光學條件的限制,圖象會產(chǎn)生變形及模糊不清的現(xiàn)象。透鏡象差有多種,其中對圖象影響zui大的是球面象差、色象差和象域彎曲三種。
顯微鏡成象系統(tǒng)的主要部件為物鏡和目鏡,它們都是由多片透鏡按設計要求組合而成,而物鏡的質(zhì)量優(yōu)劣對顯微鏡的成象質(zhì)量有很大影響。雖然在顯微鏡的物鏡、目鏡及光路系統(tǒng)等設計制造過程中,已將象差減少到很小的范圍,但依然存在。
(1)球面象差:
1)產(chǎn)生原因:球面象差是由于透鏡的表面呈球曲形,來自一點的單色光線,通過透鏡折射以后,中心和邊緣的光線不能交于一點,靠近中心部分的光線折射角度小,在離透鏡較遠的位置聚焦,而靠近邊緣處的光線偏折角度大,在離透鏡較近的位置聚焦。所以形成了沿光軸分布的一系列的象,使圖象模糊不清。這種象差稱球面象差,見圖2所示。
2)校正方法:
a采用多片透鏡組成透鏡組,即將凸透鏡與凹透鏡組合形成復合透鏡,產(chǎn)生性質(zhì)相反的球面象差來減少。
b通過加光欄的辦法,縮小透鏡的成象范圍。因球面象差與光通過透鏡的面積大小有關(guān)。
在金相顯微鏡中,球面象差可通過改變孔徑光欄的大小來減小。孔徑光欄越大,通過透鏡邊緣的光線越多,球面象差越嚴重。而縮小光欄,限制邊緣光線的射入,可減少球面象差。但光欄太小,顯微鏡的分辨能力降低,也使圖象模糊。因此,應將孔徑光欄調(diào)節(jié)到合適的大小。
(2)色象差:
1)產(chǎn)生原因:色象差的產(chǎn)生是由于白光是由多種不同波長的單色光組成,當白光通過透鏡時,波長愈短的光,其折射率愈大,其焦點愈近。而波長越長,折射率越小,其焦點愈遠,這樣一來使不同波長的光線,形成的象不能在同一點聚焦,使圖象模糊所引起的象差,即色象差。見圖3所示。
2)校正方法:可采用單色光源或加濾色片或使用復合透鏡組來減少。
(3)象域彎曲:
1)產(chǎn)生原因:垂直于光軸的平面,通過透鏡所形成的象,不是平面而是凹形的彎曲象面。稱象域彎曲。見圖4所示。
2)校正辦法:象域彎曲的產(chǎn)生,是由于各種象差綜合作用的結(jié)果。一般的物鏡或多或少地存在著象域彎曲,只有校正的物鏡才能達到趨于平坦的象域。
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