实验讲义-2009级a(6)

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实验八 金相显微镜的操作与金相磨片的制备

一、普通金相显微镜的构造及使用

（一）显微镜的光学原理简介

1、放大原理

为了了解金相显微镜的操作及构造，应当先简单地介绍一下显微镜的有关光学知识。 众所周知，放大镜是在放大状态下研究物体的最简单的光学工具。放大镜是一简单的凸透镜。它的放大原理如图1-1所示。物体AB置于焦距f2之内，这时，通过放大镜就可以看到物体放大的直立虚象A'B'。A'B'/AB的比例，称为放大率。

图8-1 放大镜光学简图

由相似三角形A'OB'及AOB导出

A'B'b? ABa式中b——放大镜到象间的距离；

a——放大镜到物体间的距离。

因为放大镜到物体间的距离。近似地等于透镜焦距。即a≈f2，而距离b近似地等于人眼的明视距离。即250mm，则放大镜的放大率

A'B'250N?? （1）

ABfzN——放大镜的放大率

f2——透镜焦距

由式（1）可知透镜的焦距愈小，则放大镜的放大率愈大。简单的放大镜只在要求不大的放大率（2.5到25倍）时才适用。若要求得到高倍放大，就要求透镜有很短的焦距，这种透镜实际上很难用来观察，它使象变得模糊不清，所以要得到高倍放大必须使用显微镜。

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图8-2 显微镜工作原理简图

显微镜是由两个透镜组成的。对着所观察物体的透镜叫接物镜（或称物镜），对着眼睛的叫接目镜（或称目镜）。物体经物镜与目镜两次放大，能得到很高的放大倍数。图1-2是显微镜光学放大部分的示意图。由几何光学可知，物镜ob使位于焦点F'ob以下的物体，放大成为一个倒立的放大实象O'。实象的位置离开后焦点F'ob的距离为Δ，Δ称为显微镜的光学镜筒长，由目镜向下观察时，目镜又使映象O'放大，在明视距离处出现了一个倒立的再经放大的虚象。所以显微镜的放大倍数等于物镜的放大倍数与目镜放大倍数的乘积。即：

Mm=Mob·Mok

Mm——显微镜放大倍数 Mob——物镜的放大倍数 Mok——目镜的放大倍数 由式（1）可知

MobMokMm? fob250 fob?250? （2） fobfok从上式可知显微镜的放大倍数与物镜及目镜的焦距及镜筒长度有关。焦距愈短放大倍数愈高。

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既然物镜的放大倍数与光学镜筒长度有关，所以在使用时必须符合设计的物镜光学镜筒长度，才能得到物镜光学设计应有的放大倍数。如果不符合，就要进行修正。 2、鉴别率和有效放大倍数

显微镜的鉴别率是指物镜所能清晰分辨出物体彼此相近的两点的最小距离。鉴别率可用两点之间距d表示，理论的推导得出：

d??2(NA) （3）

λ为光的波长，N·A称为数值孔径，它的物理意义是物镜聚光的能力，可按下式计算：

N?A???sin? （4）

sinφ为物镜的孔径角，如图1-3所示。孔径角越大，则N·A也大。鉴别率高。φ在理论上可达到90o，但实际上2φ最大只可达到15o左右。即sinφ约0.95。η为物镜与试样之间介质的折射率。空气的折射率η=1，故在通常情况下N·A值最大只可达到0.95。为了尽可能提高鉴别率，高倍放大的物镜可以改变传光介质，可使用折射率较大的松柏油（η=1.55）。这样数值孔径可达到1.30~1.40。这种物镜称为油镜，油镜可使原来空气折射不到物镜内的一部分光线进入物镜内，提高了光通量，增加了鉴别率。

图8-3 物镜的孔径角 图8-4 干物镜（b）与油镜（c）聚光能力的比较

因为每种物镜都有自己特定的鉴别率，所以当选用一种物镜时就应针对鉴别率的大小选择适当的目镜，使物镜能充分发押它的鉴别能力。通常人眼在明视距离250mm处，其鉴别率e=0.15~0.30毫米之间。所以为了使物镜所鉴别的组织能为人眼看清，就应使放大倍数为e/d，这个放大到人眼鉴别率的放大倍数称为有效放大倍数。

eM有效? （5）

d?2(N?A)? （6）

可见，M有效和物镜鉴别率及光波波长有关。

设所有的光为黄绿色，λ=0.55μ，则有效放大倍数的范围应为：

M有效=（500~1000）N·A

这样，就可根据物镜N·A值，正确选用目镜。如果选的目镜倍数太大，使M有效值超过1000N·A，则有一部分倍数是“虚放大”，并不能看到更多的组织细节。如果选的倍数太小，则还未充分利用物镜的鉴别能力。由此可知，采用黄绿色及松柏油油镜时，光学显微镜的最高有效放大为1000×1.40=1400倍。更高的放大倍数就应采用紫光或紫外线，但只

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能用于照相。

3、透镜成象的缺陷

普通透镜不能得到理想的象，它的主要缺陷是球面差和色差。

球面差：是指由透镜的中间部分和边缘部分所折射的光线不能交于一点。如图1-5所示。靠透镜中心部分的光线聚焦较远，靠边缘的光线聚焦较近，因此使映象模糊不清。

色差：照明用的白光包括许多不同波长的光波。由于透镜对不同波长的光线折射率不同，因而不能集中在一点，波长最短的紫色光聚焦位置靠透镜最近。而红色光线折射率小，聚在最远处。如图1-6所示。对于某一个位置，如果它成为某一光波的成象位置，则其它光线所成的象呈不同颜色的环状，使映象模糊。

图8-5 凸透镜的球面差 图8-6 透镜的色差

透镜成象的色差及球面差，可用透镜组合的办法加以改善，一般采用具有不同折射率的凸透镜和凹透镜组合一起改善其质量。根据色差校正程度可分为消色差物镜和复消色差物镜。消色差物镜（标有Achro-mafic）的球面差能校正黄绿光区，色差的校正为红至绿光区。所以使用时最好与黄绿色的滤光片配合，适用于低倍观察。复消色差物镜（标有Apochromatic）是各种象差校正最完善的一种物镜，所以适用于高倍观察。

目镜的构造比物镜简单。目镜可分普通目镜、补偿目镜两类。补偿目镜上标有K或O字（如K20×）。适宜与复消色差物镜配合高倍观察时使用。

（二）显微镜的构造与使用

普通金相显微镜主要有三部分组成，即照明系统、光学系统（放大系统）和机械系统等。

立式金相显微镜外形示意图

I、照明系统：

1、明场照明和暗场照明

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