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百科知识

  金相显微镜

  电脑型金相显微镜或是数码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完美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。

  中文名 金相显微镜;外文名 metalloscope

  技术 光学显微镜技术、光电转换技术

  设备 计算机

  光学系统 ICCS光学系统

  系统简介

  金相显微镜系统是将传统的光学显微镜与计算机(数码相机)通过光电转换有机的结合在一起,不仅可以在目镜上作显微观察,还能在计算机(数码相机)显示屏幕上观察实时动态图像,电脑型金相显微镜并能将所需要的图片进行编辑、保存和打印。

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  常见技术参数

  光学系统:ICCS光学系统,镜体:FEM设计,ACR位置编码

  1、物境倍数:5X 10X 20X 50X 100X 可选1.25X、2.5X、150X

  2、目镜倍数:10X

  3、视场数:20、22

  4、物镜转盘:5孔

  5、观察功能:明场、暗场、简易偏光、微分干涉

  6、光源:12V 50W卤素灯

  7、可扩展性:可配图像分析系统(数码相机、摄像头、图像分析软件

  系统组成

  电脑型金相显微镜:1、金相显微镜2、适配镜 3、摄像器(CCD) 4、A/D(图像采集) 5、计算机

  数码相机型金相显微镜:1、金相显微镜 2、适配镜 3、数码相机

  特点特性

  金相学主要指借助光学(金相)显微镜和体视显微镜等对材料显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征的材料学科分支,既包含材料显微组织的成像及其定性、定量表征,亦包含必要的样品制备、准备和取样方法。其主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒(亦包括可能存在的亚晶)、非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷(例如位错)的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。

  特点:

  1.采用世界上最优秀的无限远双重色彩校正及反差增强型(ICCS)光学系统,为用户提供最锐利的图像。

  2.采用5种上部部件和3种下部部件及两个立柱组合方式,可根据您对材料检测的要求和经济成本进行任意灵活的组合,可实现对透明材料、不透明材料以及荧光材料的分析,同时具有强大的升级空间,保证您未来的检测要求。

  3.业界最大式样高度可达到380毫米的,给您提供非凡的操作空间。

  4. 贴近用户的灵活性,设备的部件升级无需专业人员,用户可自行操作完成。

  工作原理

  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]。

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金相显微镜

  显微镜的放大率为:

  M显=L/f物×250/f目=M物×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最小分辨距离。由于光的衍射现象,物镜的最小分辨距离是有限的。德国人阿贝(Abb)对最小分辨距离d提出了以下公式

  d=λ/2nsinφ式中λ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的最有利的情况下,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。随着不断发展,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 最早的金相显微镜,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、铊灯能发出单色光。

  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,并制成了第一台金相显微镜。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。

  使用方法

  1、根据观察试样所需的放大倍数要求,正确选配物镜和目镜,分别安装在物镜座上和目镜筒内。

  2、调节载物台中心与物镜中心对齐,将制备好的试样放在载物台中心,试样的观察表面应朝下。

  3、将显微镜的灯泡插在低压变压器上(6~8V),再将变压器插头插在220V的电源插座上,使灯泡发亮。

  4、转动粗调焦手轮,降低载物台,使试样观察表面接近物镜;然后反向转动粗调焦旋钮,升起载物台,使在目镜中可以看到模糊形象;最后转动微调焦手轮,直至影象最清晰为止。

  5、适当调节孔径光阑和视场光阑,选用合适的滤镜片,以获得理想的物像。

  6、前后左右移动载物台,观察试样的不同部位,以便全面分析并找到最具代表性的显微组织。

  7、观察完毕后应及时切断电源,以延长灯泡使用寿命。

  8、实验结束后,应小心卸下物镜和目镜,并检查是否有灰尘等污染,如有污染,应及时用镜头纸轻轻擦试干净,然后放入干燥器内保存,以防止潮湿霉变。显微镜也应随时盖上防尘罩。

  日常维护

  为保证系统的使用寿命及可靠性,注意以下事项:

  1.试验室应具备三防条件:防震(远离震源)、防潮(使用空调、干燥器)、防尘(地面铺上地板);电源:220V+-10%,50HZ温度:0度-40度.

  2.调焦时注意不要使物镜碰到试样,以免划伤物镜。

  3.当载物台垫片圆孔中心的位置远离物镜中心位置时不要切换物镜,以免划伤物镜。

  4.亮度调整切忌忽大忽小,也不要过亮,影响灯泡的使用寿命,同时也有损视力。

  5.所有(功能)切换,动作要轻,要到位。

  6.关机时要将亮度调到最小。

  7.非专业人员不要调整照明系统(灯丝位置灯),以免影响成像质量。

  8.更换卤素灯时要注意高温,以免灼伤;注意不要用手直接接触卤素灯的玻璃体。

  9.关机不使用时,将物镜通过调焦机构调整到最低状态。

  10.关机不使用时,不要立即该盖防尘罩,待冷却后再盖,注意防火。

  11.不经常使用的光学部件放置于干燥皿内。

  12.非专业人员不要尝试擦物镜及其它光学部件。目镜可以用脱脂棉签蘸1:1比例(无水酒精:乙醚)混合液体甩干后擦拭,不要用其他液体,以免损伤目镜。


  改进方式

  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。德国、日本的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,为了获得最高分辨率,最低有效放大倍数应当是最佳条件下的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,甚至还可以配置更高级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,已获得更为广泛的使用。

  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.

  多功能紧凑设计

  在人们的印象中,只有大型卧式显微镜才是功能齐全的高级设备.但是,现今生产的显微镜(包括高级研究型)基本上都采用紧凑的台式设计并使用先进的平场消色差物镜或平场复消色差物镜以及广视场目镜.有的显微镜还配有电动控制的物镜回转头,只需按下按钮,所需的物镜就会自动旋入光程,孔径光阑和视场光阑的大小也能随着物镜的更换自动进行调整.照明方式则有明视场、暗视场、偏振光、微差干涉衬度(DIC)等四种最常用的照明方式,而且照明方式的变换也极为简便.此外,观察到的物象也是正置而不是反置,使物象的移动方向与载物台的移动方向一致,大大便利了操作.图1所示的台式显微镜具有低载物台设计,载物台的万向节操纵手柄使载物台能非常方便地沿x轴和y轴方向来回移动.当照明方式在明视场与暗视场之间变换时,孔径光阑的调整由内置的连动装置自动完成.有40种以上放大倍数从1.5×到200×的物镜可供选用,无限远光学系统的每一个光学元件都单独地进行了色差校正,从而保证获得清晰的物象.各种测量标尺均放置在初次放大实象位置,因此,始终保持聚焦,不受试样表面形貌的影响.2.5×连续变倍装置(从0.8×到2.0×,物象始终保持清晰)可用于观察和显微照相,当旋钮调到1.0×,1.25×,1.5×处时,还可以听到喀哒停顿声.图2所示的显微镜是一种先进的研究型显微镜,1×~2×连续变倍装置不仅可用于观察,而且可用于所有的接口.图3为Carlzeiss公司生产的Axiovert40MAT型倒置式金相显微镜,适用于繁忙的材料实验室的质量检验、材料分析、金属加工工艺分析、材料研制等项工作,以及玻璃和塑料工业、研究机构和学校教学使用.该显微镜坚固的载物台可以放置比较重的大零件,并备有长工作距离物镜.

  Carlzeiss公司生产的Axiovert200MAT型倒置式金相显微镜,这是一种专业型高端产品,显微镜镜体可以在手工操作和电动机驱动两类中挑选.如果选用后者,则物镜的更换和调焦、载物台移动等操作均可通过相应的按钮迅速完成.根据无限远光学系统设计的物镜可使物象具有优异的反差;具有高数值孔径的长工作距离物镜,既便于操作,又能获得高分辨率组织.该显微镜还利用新研制的"全干涉衬度"(TIC)光学方法测量显微组织中的阶状高度,其精度可达20nm;还有将圆偏振光代替传统的线偏振光用于DIC,即"圆DIC"(C-DIC)技术,使原来只能在一定取向才能看到的组织变为可以看到其全貌而与取向无关并与载物台的转动位置无关。

  显微照相和图象分析走进了数字化时代

  显微镜的内置照相装置或外置照相附件既可以使用35mm胶卷,也可以使用大尺寸胶片或一次成象感光器材,不过35mm胶卷更为经济和便捷,从而获得更加广泛的使用,数字成象系统也逐渐用于显微照相,它可以很容易地将数字化的图象储存在计算机内,也可以随时将其打印成照片或通过电子邮件传递,免除了暗室操作.

  有了图象分析软件,还可以将数字化图象经过图象处理后,按照国家标准进行定量分析,如晶粒度测定、镀层或涂层厚度测定、孔隙度测定等.随着计算机技术的进步和软件的完善,图象分析也会越来越方便、迅速、精确.利用图象处理软件,还可以将多个相邻视场的数字化图象拼接成一整幅视场宽广的清晰图象,而且几乎看不出接缝的痕迹,对于一个高水平的操作系统,这一操作可以在数秒钟内完成.

  但是,随着数字化图象应用的迅速普及,也带来一个令人忧虑的问题,这就是显微组织照片的"作假"问题.利用图象处理软件对金相组织进行"修理"、甚至"移花接木"已经不是一件难事,但是这样做却完全违背了"金相组织应当能如实反映试样真实组织"的重要原则,弄不好还可能造成严重的事故,这一忧虑应当不是"耸人听闻"。


  检测标准

  人们经常接触的是一般普通金相显微镜,它主要用于测量金属表机金相组织的测试,用途比较广泛,对企业,冶金等部门起着实验,研究不可缺少的重要作用。生产金相显微镜厂家比较多,型号,规格又不统一,所以对金相显微镜检测至今尚无国家、地方、部门检定规程,因此,我们依据国家标准对其进行检测。

  物镜转换器定位误差

  检具:

  (1)10倍十字目镜。

  (2)分划值为0.01mm的分划尺,其任意两划线间的极限偏差为±0.005mm。

  检测方法:在被检金相显微镜的转换器上装40倍物镜,目镜筒内放10倍十字目镜,对置于载物台上的0.01mm分划尺调焦清晰,使分划尺上某一分划与目镜中十字划中心重合,然后转动物镜转换器向左,右多次定位(不少于3 次),观察0.01mm分划尺像的偏移,以最大偏移值作为检测值。

  技术要求:不大于0.02 mm。

  换物镜偏差

  检具:

  (1)10倍十字分划目镜。

  (2)二字分划板。

  检测方法:用10倍十字分划目镜和各放大率物镜在被检显微镜上进行检测,以偏的最大值作为检测值。

  技术要求:由10倍物镜转换至其它放大率物镜时均不越出视场。

  载物台旋转中心偏移

  检具:

  (1)10倍十字分划目镜。

  (2)二字分划板。

  检测方法:在被检金相量微镜上用10倍十字分划目镜和10倍物镜对置于载物台上的十字分划板调焦清晰,在转动载物台的同时移动十字分划板,使十字线中心的像趋向于最小的圆,以最小圆的直径作为检测值。

  技术要求:显微镜第一次像的中心,最大偏移不大于0.2mm。

  目镜偏差

  检具:十字分划板。

  检测方法:在显微镜上用10倍物镜和被检十字分划目镜对置于载物台上的十字分划板调焦清晰,并使十字分划板中心的像与十字分划板目镜重合,然后旋转十字分划目镜,以两十字线中心的最大偏移作为检测值。

  技术要求:十字分划目镜的十字线中心应与目镜升圆轴线重合,其偏差为0.01mm。

  显像部分出现的问题比较严重。

  1、光学系统

  (1)视场模糊或视场一样不清晰。

  (2)像发闪烁,反差不好。

  (3)转换物镜时不到同焦。

  (4)即使用高电压,视场也难以鲜明。

  2 、粗、微调部

  (1)粗调控制钮旋转时发重。

  (2)由于载物台自然下降或粗调的滑动使观察中的焦点离开。

  3、双目镜筒

  双目镜筒的视场不一致。

  以上问题很容易校正过来,基本准确可靠。

国产/进口
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C
蔡康光学

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广东正业科技股份有限公司

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金相切片显微镜
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广州市明美光电技术有限公司

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明暗场金相显微镜MJ51
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MJ30透反射显微镜
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北京哈科

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力康/Heal Force

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徕卡

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徕卡DM 8000M金相显微镜
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徕卡金相显微镜
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徕卡金相显微镜
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南京固琦分析仪器制造有限公司

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南京天仁仪器有限公司

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