1、金相显微镜的成像原理、构造及使用

用来观察和研究金属材料显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。金相显微镜是利用反射光来观察不透明的金属物体。金相显微镜的种类很多，通常可分为台式、立式和卧式三大类。下面以4X系列台式金相显微镜为例来说明其成像原理、构造及使用方法。

(1) 金相显微镜的成像原理

金相显微镜属于光学显微镜的范畴，它的成像完全遵循光学成像的基本原理。它是由两级特定的透镜及一些辅助光学零件所组成，靠近被观察物体的透镜叫做物镜，而靠近眼睛的透镜叫做目镜。借助于物镜与目镜的两次放大，就能将物体放大到很高的倍数（大约1600～2000倍），其成像原理如图5-1所示。

图5-1  金相显微镜成像原理图

物体AB放在物镜的焦点附近（在焦点以外），由物体反射的光线穿过物镜经折射后得到一个放大的倒立实像A’B’，目镜再将实像A’B’放大成正立虚像A”B”。 虚像A”B”就是我们在金相显微镜下所观察到的经过二次放大的物像。

在设计显微镜时，让物镜放大后形成的实像A’B’位

于目镜的焦距 f 之内，并使最后的虚像A”B”在距眼睛 250mm 处，这时观察者看得最清晰。

(2) 金相显微镜的构造

金相显微镜主要由照明系统、光学系统和机械系统三部分组成。实物如图5-2所示。

图5-2  4X型金相显微镜实物图

1-载物台；2-物镜；3-半反光镜；4-转换器；5－传动箱；6-微动调焦手轮；

7－粗动调焦手轮；8-偏心圈；9-目镜；10-目镜管 ；11－固定螺钉；

12-调节螺钉；13－视场光栅；14-孔径光栅

① 光学系统

如图5-3所示，由灯泡1发出一束光线，经过聚光镜组2及反光镜7被会聚在孔径光栏8上，随后经过聚光镜3，再度将光线会聚在物镜6的后焦面，最后光线通过物镜，用平行光照明试样，使其表面得到充分均匀的照明。从物体反射回来的光线复经物镜6、补助透镜5、半反射镜4、补助透镜10、以及棱镜11与棱镜12形成一个放大的倒立实像，该像被场镜13和接目镜14所组成的目镜放大，最后进入观察者的眼睛。

图5-3  金相显微镜光路图

光学系统的核心部件是目镜和物镜。其任务是完成金相组织的放大，获得清晰的图像。目镜是用来观察由物镜所成物像的放大镜。物镜起着放大和清晰成像的作用，物镜质量的好坏直接影响显微镜的成像质量，物镜的主要性能指标包括放大倍数、数值孔径、鉴别率和景深等。物镜的数值孔径表征物镜的聚光能力，它是影响物镜鉴别率的重要因素之一，通常以“N.A”表示。物镜的鉴别率是指物镜具有将试样上两个物点清晰分辨的最大能力，以能清晰分辨两个物点的最小距离d来表示，d愈小，表示物镜的鉴别率愈高，如图5-4所示。景深是反映物镜对于高低不平的物体能清晰成像的能力，又称垂直鉴别率。

图5-4  物镜清晰成像作用

显微镜的放大倍数：目镜放大倍数×物镜放大倍数。物镜的放大倍数是指物镜在线长度上放大实物倍数的能力。物镜上刻有如40X／0.65等符号，其中40X表示物镜的放大倍数，0.65表示物镜的数值孔径。

② 照明系统

照明系统主要由位于显微镜底部的光源、聚光镜组、反光镜、孔径光栏及视场光栏组成。通过以上一系列的透镜及物镜本身的作用，使试样表面获得充分均匀的照明。

孔径光栏：孔径光栏的作用是控制入射光束的粗细。孔径光栏对成像质量有重要影响，缩小孔径光栏可以减小像差，加大景深，成像清晰，但使物镜鉴别率降低；反之，扩大孔径光栏可以提高鉴别率，但成像质量降低。因此，孔径光栏的调整要适当，以观察成像最清晰时为宜。

视场光栏：视场光栏的作用是调节所观察视场的大小，它不影响物镜的鉴别率。视场光栏调节愈小，像的衬度愈佳。故为了增加衬度可将视场光栏尽量缩小，如观察金相组织时调至与目镜视场同样大小；在金相摄影时，调节至画面尺寸为佳。

③ 机械系统

图5-5  金相显微镜机械系统

机械系统(如图5-5所示)包括载物台、粗、微动调焦装置、物镜转换器、底座等。

载物台：试样磨面向下放置在载物台上，可用手轻推载物台在水平面任意方向微微移动，以便选择观察试样的适当部位。

粗、微动调焦装置：用来调节物镜与试样的相对位置，以得到最清晰的图像。旋转粗动手轮能使载物台迅速升降，旋转微动手轮能使载物台缓慢升降，进行精确调焦。

物镜转换器：物镜转换器可安装三个不同放大倍数的物镜，与目镜配合可获得不同的放大倍数。

底座：支撑整个镜体。

(3) 金相显微镜的使用

i、接通电源。

ii、选用并安装适当放大倍数的物镜和目镜，

iii、将试样放在载物台中心，使观察面朝下。

iv、转动粗调手轮先使载物台下降，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试样表面（但不得与试样相碰），然后反方向转动粗调手轮，使载物台渐渐上升以调节焦距，当视场亮度增强时再改用微调手轮调节，直到物象调到最清晰程度为止。

v、适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。

金相显微镜属于精密光学仪器，必须精心操作、使用。金相显微镜的使用注意事项：

i、使用前要预习实验指导书，了解显微镜的构造，操作要细心。遇有故障立即报告指导老师。

ii、制备好的试样要保持清洁、干燥，无残留浸蚀液，以免浸蚀镜头。

iii、切勿用手触摸镜头、镜片，如发现镜头有污垢时，应用棉球或毛刷轻轻擦去。

iv、观察完毕后应及时关闭电源。