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金相显微镜的前世今生-上海光学仪器一厂

金相显微镜的前世今生-上海光学仪器一厂

作者:admin    来源:本站    发布时间:2020-07-10 02:27:06    浏览量:

  金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术地结合在一起而开发研制成的高科技产品,可以在计算机上很方便地观察金相图像,从而对金相图谱进行分析,评级等以及对图片进行输出、打印。众所周知,合金的成分、热处理工艺、冷热加工工艺直接影响金属材料的内部组织、结构的变化,从而使机件的机械性能发生变化。因此用金相显微镜来观察检验分析金属内部的组织结构是工业生产中的一种重要手段。

  

金相显微镜主要由光学系统、照明系统、机械系统、附件装置(包括摄影或其它如显微硬度等装置)组成。根据金属样品表面上不同组织组成物的光反射特征,用显微镜在可见光范围内对这些组织组成物进行光学研究并定性和定量描述。它可显示500~0.2m尺度内的金属组织特征。早在1841年,俄国人(п.п.Ансов)就在放大镜下研究了大玛士革钢剑上的花纹。至1863年,英国人(H.C.Sorby)把岩相学的方法,包括试样的制备、抛光和腐刻等技术移植到钢铁研究,发展了金相技术,后来还拍出一批低放大倍数的和其他组织的金相照片。索比和他的同代人德国人(A.Martens)及法国人(F.Osmond)的科学实践,为现代光学金相显微术奠定了基础。至20世纪初,光学金相显微术日臻完善,并普遍推广使用于金属和合金的微观分析,迄今仍然是金属学领域中的一项基本技术。

  

金相显微镜是用可见光作为照明源的一种显微镜。分立式和卧式,见图1[光学显微镜a立式显微镜b卧式显微镜]。它们都包括光学放大、照明和机械三个系统。

  

放大系统是影响显微镜用途和质量的关键。主要由物镜和目镜组成。其光路见图2[金相显微镜光路图]。显微镜的放大率为:M显=L/f物×250/f目=M显×M目式中[m1]M显——表示显微镜放大率;[m2]M物、[m3]M目和[f2]f物、[f1]f目分别表示物镜和目镜的放大率和焦距;L为光学镜筒长度;250为明视距离。长度单位皆为mm。

  分辨率和象差透镜的分辨率和象差缺陷的校正程度是衡量显微镜质量的重要标志。在金相技术中分辨率指的是物镜对目的物的zui小分辨距离。由于光的衍射现象,物镜的zui小分辨距离是有限的。德国人阿贝(Abb)对zui小分辨距离()提出了以下公式d=λ/2nsinφ式中[kg2][kg2]为光源波长;n为样品和物镜间介质的折射系数(空气;=1;松节油:=1.5);φ为物镜的孔径角之半。

  从上式可知,分辨率随着和的增加而提高。由于可见光的波长[kg2][kg2]在4000~7000之间。在[kg2][kg2]角接近于90的zui有利的情况下,分辨距离也不会比[kg2]0.2m[kg2]更高。因此,小于[kg2]0.2m[kg2]的显微组织,必须借助于电子显微镜来观察(见),而尺度介于[kg2]0.2~500m[kg2]之间的组织形貌、分布、晶粒度的变化,以及滑移带的厚度和间隔等,都可以用光学显微镜观察。这对于分析合金性能、了解冶金过程、进行冶金产品质量控制及零部件失效分析等,都有重要作用。

  

象差的校正程度,也是影响成象质量的重要因素。在低倍情况下,象差主要通过物镜进行校正,在高倍情况下,则需要目镜和物镜配合校正。透镜的象差主要有七种,其中对单色光的五种是球面象差、彗星象差、象散性、象场弯曲和畸变。对复色光有纵向色差和横向色差两种。早期的显微镜主要着眼于色差和部分球面象差的校正,根据校正的程度而有消色差和复消色差物镜。近期的金相显微镜,对象场弯曲和畸变等象差,也给予了足够的重视。物镜和目镜经过这些象差校正后,不仅图象清晰,并可在较大的范围内保持其平面性,这对金相显微照相尤为重要。因而现已广泛采用平场消色差物镜、平场复消色差物镜以及广视场目镜等。上述象差校正程度,都分别以镜头类型的形式标志在物镜和目镜上。

  

光源zui早的金相显微镜,采用一般的白炽灯泡照明,以后为了提高亮度及照明效果,出现了低压钨丝灯、碳弧灯、氙灯、卤素灯、水银灯等。有些特殊性能的显微镜需要单色光源,钠光灯、tuo灯能发出单色光。

  照明方式金相显微镜与生物显微镜不同,它不是用透射光,而是采用反射光成像,因而必须有一套特殊的附加照明系统,也就是垂直照明装置。1872年兰(V.vonLang)创造出这种装置,并制成了*台金相显微镜。原始的金相显微镜只有明场照明,以后发展用斜光照明以提高某些组织的衬度。

  金相显微镜具有独特的特点:

  

·超大型载物台,样品可以大范围的快慢速移动,扩大检测领域的使用范围,适用于电子、机械、化工、科研、院校等部门,以及金相技术检验、失效分析等。

  金相显微镜主要用于鉴定和分析金属内部结构组织,它是金属学研究金相的重要仪器,是工业部门鉴定产品质量的关键设备,该仪器配用摄像装置,可摄取金相图谱,并对图谱进行测量分析,对图象进行编辑、输出、存储、管理等功能.

  

金相显微镜由于易于操作、视场较大、价格相对低廉,直到现在仍然是常规检验和研究工作中zui常使用的仪器.近年来金相显微镜的改进主要有以下几点:

  普遍采用无限远光学系统

  

物镜按照无限远象距进行设计而不是象常规物镜那样按照有限象距进行设计,这种光学系统称为无限远色差和象差校正的光学系统或简称无限远光学系统.使用这种光学系统时,当入射光从试样表面反射再次进入物镜后,并不收敛而是保持为平行光束,直到通过镜筒透镜后才收敛并形成中间象,即一次放大实象,然后才供目镜再次放大.无限远光学系统的优点是显微镜中的各种光学附件(如暗视场光束分离器、偏振光分离器、用于微差干涉衬度)的棱镜、检偏振镜,以及其它附加滤色镜等)都可以放置在物镜凸缘与镜简透镜之间平行光束的空间,由于成象光束没有受到上述光学附件的干扰,物象的质量不会受到损害,从而简化了物镜设计中色差和象差的校正.此外,在无限远光学系统中,镜筒长度系数保持为一,无论物镜与目镜之间的距离有多远,也不需要一个固定的中转透镜系统.目前,德国的公司和公司、日本的公司和olympus公司生产的金相显微镜均已先后采用无限远光学系统设计.

  同焦面性设计

  

在新型显微镜中,更换物镜及目镜后不须重新调焦,一般只需略微调节微调旋钮,就可以使物象准确聚焦.为此,物镜和目镜的光学机械尺寸应满足同焦面性的要求,即:①所有物镜的共轭距离(即从试样表面到物镜初次放大实象象面之间的距离)相等:②所有物镜初次放大实象到目镜镜筒口的距离不变;③所有目镜的焦面与物镜初次放大实象的象面重合.同焦面性并不是物镜或目镜的一个固有特性,而是在新型显微镜的设计中为了便于使用者的操作而采取的一种措施.

  

对显微镜有效放大倍数的再认识

  

显微镜的有效放大倍数(M)与物镜数值孔径(NA)的关系可以表示为:550NA<M<1100NA>,长期以来,显微镜使用者一直遵循这一关系式.但是,VanderVoort在其所著《金相学——原理与实践》一书中指出,上式是在用理想的眼睛观察具有理想反差物象的条件下推导出的,因此不要当做教条来遵循.实际上,分辨率不仅与物镜的分辨率有关,而且还与物象的反差有关.此外,照明条件、放大倍数、物镜质量,以及观察条件都会影响物象的反差,因而也会影响分辨率.他指出,为了获得zui高分辨率,zui低有效放大倍数应当是zui佳条件下的4倍左右,即M≈2200NA;同时,使用4000×或更高放大倍数的显微照片也是完全合理的.

  平场消色差物镜

  

现今新型显微镜已经普遍使用平场消色差物镜,甚至还可以配置更的平场复消色差物镜.老式物镜初次放大实象的直径只有18mm~20mm,而平场消色差物镜则规定高度校正的初次放大平面象的直径为28mm,即象场面积增大了一倍,并使象场弯曲得到了很好的校正.

  高倍干物镜

  

为了便于观察高倍显微组织,现今显微镜一般均备有高倍干物镜.例如nikon公司生产的EPIPHOT300型金相显微镜(图1)配置有放大100×、150×、200×的CFPlanApoEPI型干物镜,其NA值均为0.95.尽管干物镜的分辨率明显低于油浸物镜(100×油浸物镜的NA值一般可达1.40),但由于简化了操作并使试样免于被油污染,现今已获得更为广泛的使用.近年来,olympus公司生产的GX系列显微镜甚至还配置有更高倍数(250×)的干物镜,尽管其NA值只有0.90,但是用它来进行观察或拍照,已经很容易使其放大倍数远超过传统上使用的数值(1100NA),这进一步证实了以上第1.3小节介绍的观点是正确的.图2为olympus公司生产的GX71型金相显微镜.图1nikonEPIPHOT300型金相显微镜

  广视场目镜

  

广视场目镜的结构特点是场光阑显著增大,一般为22mm~26.5mm(老式目镜的场光阑直径只有16mm),充分利用了平场物镜扩大了的象场面积.

  

此外,有的显微镜还配置有高眼点目镜,使眼睛有缺陷(如散光)的人可以戴着眼镜进行观察,物象的质量可以免受眼睛缺陷的影响.由于平场消色差物镜和广视场目镜的推广使用,使显微组织观察的视域扩大了许多,这也相应提高了对显微镜载物台加工精度和试样制备质量的要求.

  长工作距离物镜

  

有些显微镜生产厂商还推出一些工作距离较长的物镜,这是为了适应生产检验或特殊需要(例如高温台)而设计的.通常情况下,物镜的放大倍数越高,工作距离(即物象聚焦时,物镜接物透镜与试样之间的距离)越短,为了避免物镜因工作中不慎触及试样或受热而损坏,于是就设计了这种特殊物镜.例如nikonEPIPHOT300型金相显微镜的物镜系列中就有50×和100×两个工作距离分别为8.7mm和2.0mm的长工作距离物镜,其NA值分别为0.55和0.8;又如olympusGX系列显微镜也可配50×和100×工作距离分别为10.6mm和3.4mm的长工作距离物镜,其NA值分别为0.55和0.8,而50×和100×普通物镜的工作距离则分别只有0.54mm和0.3mm,但是其NA值则分别为0.8和0.95.可以看出,长工作距离物镜的数值孔径即分辨率有所下降,不过成像质量仍然不错.

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