文档介绍：金相显微镜的数字识别系统
杨国雄
(理学院应用物理系应用物理学专业)
§1、引言
对金相学研究人员来说,尽管现在可以得到许多高级的电子金相设备,但是光学显微
镜依然是最重要的仪器。虽然透射显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)克服了光学显
微镜的两个最重要的局限,即分辨率和景深方面的局限,再加上光学显微镜和透射显微镜
(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)有不同的应用的范围,因此并未减低光学显微镜的重要
性。实际上,光学显微技术和电子显微技术是互相补充的,而不是互相竞争的。
任何有关材料的研究,最好是在进行显微和亚显微细节观察之前,先从宏观分析开始。
即要以简单的外观检查,或者借助于特殊的印痕技术和宏观浸蚀作为开头,继之以低倍观察,
再中倍,最后再进行高倍观察。这样,正常的和不正常的特征都可以鉴别出来并能正确观察。
本实验所用到的 4XB 型显微镜正是典型的低倍光学显微镜,放大倍数在 100 到 1250 之
间。然而,金相学在很大程度上取决于照相技术,传统的照相方法是采用感光材料作为底片
来拍照的,不仅不能即时观察所拍摄的图象,而且还要冲洗胶片花费了大量的时间,带来了
许多不便。随着网络信息时代的发展,数字化越来越显得重要。即使采用传统的照相方法得
到的图象可以转化为数字化的图象,以适应其他数字化分析仪器的需要,不过会带来许多麻
烦和工作量大大增加。所以,本实验的内容就是数字化金相显微系统—— 4XB 型显微镜系统
添加数字化系统,并实现图象的数字化处理。
在实验中,主要的设备和仪器是:4XB 型显微镜、ZA-1 型分光式显微拍摄仪、Kodak DC-290
数码相机和各种透镜装置。图象的获得不再采用传统的底片感光方式,而是采用数字化的拍
摄仪器—数码相机;图象的处理也不再是直观的分析图象,而是通过计算机图象处理软件。
最终系统可以通过计算机直接控制拍摄和图象分析的所有过程,实现金相显微镜的数字化识
别。
关键字:金相显微镜系统、系统放大率、实际放大率、分辨率

§2、实验原理
§、4XB 型金相显微镜
4XB 型金相显微镜主要用于鉴别和分析各种金属和合金的组织结构,其放大倍数为
100~1250,视场为毫米~ 毫米。
§、金相显微镜成像原理
利用透镜可将物体的像放大,但单个透镜或一组透镜的放大倍数是有限的,为此要考虑
用另一透镜组将第一次放大的像进行放大,以得到更高放大倍数的像。显微镜就是基于这一
要求设计的。显微镜装有两组放大透镜,靠近物体的一组透镜称为物镜,靠近观察的一组透
镜称为目镜。
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图一为金相显微镜成像原理简图。物体 AB
置于物镜的一倍焦距(F1)之外但小于两倍焦距
之内,它的一次像在物镜的另一侧两倍焦距之
外,形成一个倒立、放大的实象 A′B′;当 A′B′
位于目镜的前一倍焦距(F2)以外时,目镜有
使映像 A′B′放大,而在目镜的前倍焦距之外,
得到 A′B′的正立的虚象 A′′B′′。因此,最后的
映像 A′′B′′是经过物镜、目镜两次放大后得到
的。其放大倍数应为物镜放大倍数与目镜放大倍
数之积。
物体 AB 经第一次放大的倍数
∆+
A'B' f '1
M 物= =
AB f1
式中,f1、f′分别为物镜的前焦距与后焦距,∆为
显微镜光学筒长。
与∆相比,物镜的 f′1 很短,可忽略,故
′′
f2′≈∆/f1。像 A B 经目镜第二次放大的倍数
A′′B′′ D
M = ≈
目′′
A B f 2
式中,f2 为目镜的前焦距,D 为人眼明视距离,一般 D ≈ 250mm,所以显微镜的放大倍数应为
∆
= •≈• D
M M 物 M目
f1 f 2
当显微镜的机械筒长度设计的恰好等于光学筒长度时,M=M 物●M 目,否则 M=M 物●M 目
●C,C 为与机械筒长及光学筒长有关的系数。
§、显微镜的特性指标
衡量显微镜质量优劣除了像差的校正外,还有以下几种特性指标:
①、数值孔径()
数值孔径是表征物镜的聚光能力,常以
据理论计算及实际使用,物镜的数值孔径主要决定于孔
径角和物镜与试样间的介质折射率、具体关系为:
= nsin Φ,其中 n 为介质折射率, Φ为孔径角之
半。孔径角是透镜的焦点至透镜边缘的张角,用 2Φ表
示,见图二。
从计算公式可以看出,物镜的孔径角和折射率越
大,则数值孔径越大。增加孔径角的途径有两个,一是
增加透镜组的直径,但这会给校正像差带来困难,因此受到限制;另一种方法