光学显微分析

2.3几种常用显微镜的工作原理
基本原理
SEM是利用聚焦电子束在样品上扫描时激发的某种物理信 号来调制一个同步扫描的显象管在相应位置的亮度而成象 的显微镜。
三种显微镜比较
分辨率影响因素

由于电子束的波长很短，理论上电镜可以达到很 高的分辨率 ；
在光学显微镜中决定分辨率的是光的波长 ，象 差不是主要原因； 在电子显微镜中，波长已经不是决定性因素 ； 而透镜产生的象散和球差，电子波产生的色差 和衍射差是主要因素 ；
2.2 基本知识(几个重要的分辨率)
人眼：0.2mm/250mm 光学显微镜：0.2um 电子显微镜：0.2nm
人眼：通常在25cm的明视距离内，人眼只能分辨相距0.10.2mm的两个物体。即物体相距不到0.1mm的时候，人眼就会 把它们看成是一个物体。这个极限即为人眼的分辨本领。 显微镜的分辩本领：z＝0.61×λ/（nsinα），显微镜的分 辩本领与光的波长成正比。光的波长越长，其分辨率越低。 只有采用比较短的波长的光线，才能获得较高的放大倍数。 光学显微镜：由于可见光波的波长在500nm左右，其衍射效应 使得光学显微镜的分辨本领不能小于200nm。 电子显微镜：电子波λ＝(1.50/E)1/2nm。当加速电压为100kV 时，电子的波长仅为0.0037nm；当E=30KeV时,λ≈0.007nm。 电子显微镜可以获得很好的高分辨率图像，0.2-0.5nm.
4.提高显微镜分辨本领的两个途径：
⒉减小照射光的波长λ
Z 0.61 0.61 n sin N.A
（采用紫外线、电子射线）
光学显微镜基本结构： 1. 照明灯(Lamp) 2. 聚光器(Condenser) 3. 载物台和切片夹 (Mechanical stage and specimen retainer) 4. 推进器(Mechanical stage adjustment knob) 5. 物镜(Objectives) 6. 粗细螺旋(Course and fine focus knob) 7. 目镜(Oculars) 8. 照相机等接口 (Connection to camera, etc.)
4.提高显微镜分辨本领的两个途径：
⒈增大物镜的数值孔径 N.A.
0.61 0.61 Z n sin N.A
（比如：采用油浸镜头）
n=1 β
物镜(n=1.52) 盖玻片 n=1.52
β
油 n=1.52
干物镜

标本
油浸物镜
低倍镜、高倍镜以空气为介质，而油镜需以香柏油或石蜡油为介质。 这样就避免了由于油镜镜孔小，而使进入物镜的光线产生折射，从 而导致视野暗淡，物像不清现象的发生。


2.4光学显微分析的发展


15世纪中叶：放大镜（单式显微镜） 1590年荷兰Hans and Zacharias Janssen：复式显微 镜 17世纪中叶R. Hooke：设计第一台性能较好的显微镜 Christiaan Huygens：惠更斯目镜 19世纪德国Ernst Abbe阐明光学显微镜成像原理，光 学显微镜分辨本领达0.2微米理论极限
一个世纪以来，人们一直用光学显微镜来揭示金属材料的显微组 织，借以弄清楚组织、成分、性能的内在联系。但光学显微镜的
光学显微镜的局限性

分辨本领有限，对诸如合金中的G.P 区（几十埃）无能为力。
光学显微镜分类




——几何光学显微镜 生物显微镜、落射光显微镜、倒置显微镜、金相显微 镜、暗视野显微镜等。 ——物理光学显微镜 相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微镜、相差偏振光显 微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。 ——信息转换显微镜 荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学 显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。 ——特种光学显微镜 高温显微镜、近场光学显微镜等。
A 两物点 B B’ 相应两象点
物镜
A’
艾里斑
分辨极限:光学系统能分辨开两物点的最短距离。 分辨本领:最短距离的倒数称为光学系统的分辨本领。
3.显微镜的分辨本领
瑞利判据
θ＞2
θ= 2
A1 A2ຫໍສະໝຸດ D ZA1A2 A1 A2
θ＜2
两个物点（A1和A2） 刚能够被分辨的条 件是：一个物点的 衍射亮斑的第一暗 环正好与另一个物 点的衍射亮斑中央 点重合。此时Z为 刚能分辨的最短距 离（即显微镜的分 辨距离）。
第2章光学显微分析


2.1材料形貌分析简介 2.2光学几个基本知识 2.3几种常用显微镜的工作原理 2.4光学显微分析的发展 2.5 显微镜的成像原理 2.6偏光显微镜
2.1材料形貌分析简介




物体的表面是物质存在的一种客观形式，固体从体相延伸 到表面，最终在表面形成原子及其电子分布的终端，从而 导致表面具有体相所不具备的新的特点和新的特征。同时 也破坏了物体的连续性。因此研究物体的表面比研究物体 的体相有更大的难度。 在表面分析中，由于表面层的光学干涉、表面缺陷、粒度 大小等表面变化为微观变化，实测结果往往与常规观察的 判断有很大的区别。 材料的形貌也是材料分析的重要组成部分，主要分析材料 的几何形貌，材料的颗粒度以及颗粒度的分布等方面。 光学显微镜和电子显微镜（扫描电子显微镜SEM；透射电子 显微镜TEM；扫描隧道显微镜STM；原子力显微镜AFM）
强度
根据瑞利判据，得显微镜的分辨距离：
0.61 0.61 Z n sin N.A
（推导略）
Z,最小分辨距离;λ,波长;n,透镜周围的折射率;β, 透镜对物点张角的一半;
物镜的数值孔径： N.A n sin 物镜

β Z
显微镜的分辨本领：显微镜能分辨最短 距离的能力用1/Z表示。Z越小，分辨本领 越高。
2.5 显微镜的成像原理
1.显微镜的光路图和放大率：
物镜 L1
F1
L2 目镜
y
F2
y f1 y

f2
显微镜的放大率：
y tg 25
25cm
y / f 2 y 25 M y / 25 y f 2
2.光学系统的分辨本领
光学仪器的圆孔衍射现象限制了光学系统分辨物体细 节的能力。