金相显微镜的结构及原理

但物镜的分辨率并未改变，此时，小于 0.2μm 的细节仍然不能被分辨，它们只能被虚假
的放大。因此显微镜中物镜和目镜放大倍数的合理配合是以有效放大倍数的概念作为根
据的。
在实际的操作过程中，可根据物镜的数值孔径 N.A 来确定有效放大倍数的大小，其
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2． 放大倍数
以 15×、20×、32×、40×、63×等分别表示 15 倍、20 倍、32 倍、40 倍和 63
倍。
3． 数值孔径
用数值直接标在镜筒上，例如 0.65 表示 N.A=0.65。
4． 机械镜筒长度
指从物镜的座面到目镜顶面的距离，在镜筒上分别以毫米数刻出，如 160mm、
170mm、190mm 和∞/0。∞/0 表示这种物镜可以在任何镜筒长度情况下使用。
上述分析表明：若显微镜的物镜放大倍数为 100 倍，其分辨率 rM＝0.2μm，如选用 10 倍目镜其总放大倍数正好等于有效放大倍数 1000 倍。如果我们选择小于 10 倍的目镜，
则因总放大倍数减小而使原本能看清的结构细节不能被人们分辨出来，故没有充分发挥
物镜 0.2μm 的分辨率；如果选用的目镜放大倍数超过 10 倍，虽然总的放大倍数增大了，
消色差物镜的像差校正仅在黄、绿波长区比较理想，故这种物镜应和黄、绿色滤片 配合使用，其他滤色片均会加重消色差物镜的缺点，降低图像质量。 2. 提高物镜的分辨率
从衍射效应的角度来看，波长愈短，物镜的分辨率愈高。据此，若选用蓝光作光源 （λ＝440nm）时，其分辨率可比黄绿光（λ＝550nm）高出 25％。由于人眼对蓝光的感觉不良， 故在观察时选用黄绿光，而在照相时应用蓝光以提高图像的清晰度。 3. 增加显微组织中组成相的衬度
白色光
紫绿 红 白色光
紫
绿红
白色光
紫绿光
单透镜
消色差
复消色差
a.单透镜色差未校正
b.消色差物镜
c.复消色差物镜
图 2.2 不同物镜对色差的校正示意图
1. 消色差物镜（Achromat） 这是金相显微镜中构造最简单的物镜，适用于低、中倍的放大。这种透镜能校正
红、绿波长区的色差（见图 2.2a、b），同时对黄、绿波 长区的球差进行了校正，但像场弯 曲仍然存在。由于对紫光的色差以及红、紫光的球差没有校正，故使用时应配以黄绿滤
根据互补色的规律可以选用具有组成相颜色补色的滤色片来加深组成相的色调。例 如：组织中某一组成相呈黄色，其补色为蓝色，如用蓝滤色片，则黄色组成相的色调将 变为暗黑色。
三、光阑
金相显微镜一般都装有两个光阑，靠近光源的光阑叫孔径光阑，视域光阑则位于 其后侧，它所处的光学位置正好使它的像着落于金相样品的表面上。这一对光阑的调节 对显微镜的成像质量具有重要的影响。 1. 孔径光阑
符号；国外生产的物镜则分别用英文名称标出，如平面消色差为 Planachromatic，消色 差为 Achromatic，复消色差为 Apochromatic 等。
PC40×/0.65 ∞/0
Apochromatic 15× 0.30
∞/0
a.国产物镜
b.进口物镜
图 2.3 标在镜筒上的物镜主要参数
根据如下：
因 M 有效
re rM
，式中若 rM 以衍射规定的分辨率 r0
0.61 n sin
为代表，而 nsinα＝N.A，
故
M 有效
re rM
re n sin 0.61
(0.15 ~ 0.3mm)N.A 0.61
（2-6）
在常规金相分析时大都采用黄绿光，其平均波长λ＝550nm，代入上式得 M 有效
5． 介质符合
干镜头一般不标符号，凡油浸物镜则标以 HI 或 oil，国产物镜则标以“油”或“Y”。
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§2.3 目镜
一、目镜的种类
目镜是把物镜放大的像再次放大，在明视距离的位置处形成一个放大的虚像。如 果要进行显微照相，则可采用投影目镜，在对焦屏（毛玻璃）上得到一个放大的实像。被 物镜分辨出来的结构细节的尺度远比人眼能够分辨的距离小，因此必须通过目镜进一步 放大才能达到人眼的分辨范围（0.15～0.3mm）。有些目镜除放大作用外，还可将物镜成像时 造成的残余像差作适当校正。
§2.4 金相显微镜的照明系统
由于金相样品不能被光线透过，故金相显微镜必须依靠附加光源才能对样品进行分
析，这是和生物显微镜的明显差别。照明系统的功能在于能改变和调整采光方法，并能
完成光线行程的转化。
金相显微镜的照明系统包括照明光源、光阑、滤色片和垂直照明器等。
一、照明光源
一般都使用低压钨丝灯、碳弧灯或碘钨灯作为照明光源。小型金相显微镜都用 6～ 8V，15～20W 钨丝灯。这种光源简单可靠，价格便宜，使用方便。大型金相显微镜除配 有低压钨丝灯外还配有碳弧灯或碘钨灯。后两种灯能达到很高的照明亮度，有利于暗场 观察和照相。由灯泡发出的光束可用一组透镜将光源的像聚焦并正好投射到试样表面， 使整个像域都得到均匀的照射和最好的亮度，这种照明方法叫做临界照明。目前一部分 金相显微镜采用这种照明方式。为了使灯丝的聚焦像不干扰物相，可在聚光光路中插入 一片毛玻璃，进一步改善照明效果；若把由灯泡发出的光束通过透镜会聚到孔径光阑处， 再通过一个透镜把光阑和光源的像会聚在物镜的后焦面上，此时从物镜发出的平行光束 就能均匀地照射到试样表面，这种照明方法叫科勒（August Kohler 德国蔡司）照明。科勒 照明因其光线利用率高、照明效果好而成为当今使用最广泛的金相显微照明方式。
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2 金相显微镜
§2.1 显微镜的工作原理
光学显微镜具有二级放大的功能。物体上的结构细节经物镜一次放大后再由目镜
作第二次放大，其放大原理如图 2.1 所示。图中箭头 AB 表示待放大的物体，它置于物
镜的一至二倍焦距之间（f1 为物镜前焦距）。经物镜放大后的一次像 A′B′是一个倒立实像。在 显微镜中，一次像 A′B′都应落在目镜的一倍焦距（f2）之内，它再经目镜放大则成为一个 正立的虚像 A′′B′′。据此显微镜的放大倍数应是物镜和目镜放大倍数的乘积。
常用目镜的种类如下：
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1. 惠更斯目镜 此类目镜未作像差校正，或仅作部分球差校正，其放大倍数一般不超过 15 倍，用
于和低、中倍的消色差物镜配合使用。 2. 雷斯顿目镜
此类目镜对像弯曲和图像畸变校正较好，对球差也有一定程度的校正，但色差较大。 它可以看成是一个凸透镜，可单独作放大镜使用。 3. 补偿目镜
由图 2.1 中的比例关系可看出物镜的 放大倍数应是：
F2′
M物
A' B' AB
s f '1 f1
(2-1)
式中，f1、f′1 为物镜的前、后焦距，s 为显 微镜的光学镜筒长度。分子一项中 s>> f′1， 故可略去 f′1，所以
f2
B′ A′
第一次放大
M物
s f1
(2-2)
F2
Δ
D
同样，根据几何关系，目镜的放大倍 数可用下式计算：
长度是设计显微镜时已确定的参数，因此可根据不同的物镜和目镜匹配来获得需要的放
大倍数。
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§2.2 物镜
一、物镜的种类
显微镜的物镜并不是单片透镜而是由多片透镜构成的透镜组。物镜可按其镜片组 合的程度分成几个等级，常用的物镜主要有下列四种：
这种目镜具有过度校正色差的特点，可以补偿复消色差物镜的残余色差。由于像差 校正得好，它的放大倍数也可相应提高（可达 30 倍）。 4. 测微目镜
在目镜中加入一片带有刻度的玻璃片，可用于金相组织的定量测定。 除了上述几种目镜外，还有放大型目镜、广角目镜和双筒目镜等。
二、显微镜的有效放大倍数和目镜放大倍数的合理选择
调节孔径光阑的大小可改变成像光束的直径，即控制了进入光学系统的光通量， 直接影响着物像的亮度。缩小孔径光阑可减小球差和像散，加大景深和衬度，使图像清 晰。这些效果都是由于孔径半角减小的结果。但孔径半角的减小会造成物镜分辨率的降 低，如果把孔径半角加大（即放大光阑），则会造成相反的结果。此外，光阑扩张过大还会 造成镜筒内部反射和闪光，使图像衬度下降。
＝（447～894）N.A。由于这种计算是十分粗略的，为了便于记忆可把计算结果圆整为
M 有效≈（500～1000）N.A
（2-7）
例如：物镜的参数为 40×/0.65 N.A，根据式（2-7）计算，有效放大倍数为 325～
650 之间，而目镜的放大倍数 M 目应位于 325/40～650/40 之间，即 8～16 倍。
3．平面消色差物镜（Planachromat）
色差和球差的校正情况和消色差物镜相同，增加了对像场弯曲的校正。
4．平面复消色差物镜（Planapochromat）
色差和球差的校正和复消色差物镜相同，同时增加了对像场弯曲的校正。平面复消
色差物镜最适用于高倍观察和照相，但它的构造复杂，有时透镜片的总数可多达十余片。
显微镜的有效倍数是指在保证物镜分辨率充分利用时所对应的显微镜的放大倍
数。有效放大倍数 M 有效可以用下式计算：
M 有效
re rM
（2-5）
式中，re 是人眼的分辨率，人眼在明视距离（250mm）处的分辨能力统计位于 0.15～0.30mm 之间；rM 是物镜的分辨率，亦即是光学显微镜的分辨率，高质量显微镜的分辨率大致可 达到 rM＝200nm，即 0.2μm。如果我们把 re 大致定为 0.2mm，则显微镜的有效放大倍数 M 有效＝1000 倍。
M目
A'' B'' A' B'
D f2
(2-3)
式中，f2 为目镜的前焦距，D 为人眼的明 视距离，D＝250mm。所以显微镜的总放
大倍数应按下式计算：
F1′
f1′
f1 F1 AB
B′′
第二次放大 A′′
M
M 物M目
s f1
D f2
(2-4)
图 2.1 金相显微镜的放大原理示意图
明视距离 D（人眼观察物体最清晰而又不易疲劳的距离,叫做明视距离。）是一个常数，光学镜筒
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二、滤色片
由于消色差物镜不能将色差完全消除，白色光线中尚有蓝、紫色光存在，致使形成 的物像具有色调不清晰的外形轮廓。滤色片可以吸收波长中不需要的光线。滤色片的主 要作用如下： 1. 校正残余色差
缩小，直至其大小和目镜的视域范围相同。在照相时则应调节到和图像的尺寸相当。 上述两种光阑的协调作用可以提高显微镜成像的质量，但不能利用它们来调整图像
的亮度。如果要增加亮度，则应从改进光源着手，这是在操作过程中应该注意到的。
四、垂直照明器
金相显微镜的光源都位于镜筒侧面，其照射方向与主光轴正交。垂直照明器的作用 是使水平方向的光束转换成垂直方向，在通过物镜后照射到金相样品的水平磨面上。
二、物镜的识别
物镜的主要参数大多标在物镜的镜筒上，如图 2.3 所示。金相显微镜的物镜一般都 有五种标志，介绍如下： 1． 物镜类型
国产消色差物镜一般不标符号，复消色差和平面消色差物镜则分别标以 FC 和 PC
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由于观察目的不同，金相显微镜的照明方式也不同。照明方式可分成明场照明和
暗场照明两种。下面分别介绍此两种照明方式及它们各自配用的垂直照明器。
经验证明，合适的孔径光阑直径应位于 3～5mm 之间。 2. 视域光阑
调节视域光阑的大小可以改变观察区域的范围，对显微镜的分辨率没有影响，但 可以减小镜筒内反射和闪光对成像质量的影响，增加像的衬度。因此，视域光阑应尽量
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光片只让黄绿光通过。虽说消色差物镜的构造简单，但透镜的总片数仍可多至 6～7 片。 2．复消色差物镜（Apochromat）
这种物镜对色差的校正比较理想，可见光的全部波段都得到了校正（见图 2.2c）。同 时对紫光和绿光范围的球差亦得到了校正，但是像场弯曲仍未改变。这种物镜可进行高
倍放大，并可配用任何色调的滤色片。