光学显微分析

光学显微分析

摘 要：对于各种材料及其原料的性能、质量的评价，除了考虑其化学组成外，还必须考虑它的晶相组成及显微结构。所谓显微结构就是指构成材料的晶相形貌、大小、分布以及它们之间的相互关系。利用光学显微分析技术进行物相分析就是研究材料和其原料的物相组成及显微结构，并以此来研究形成这些物相结构的工艺条件和产品性能间的关系。

0 引言

自古以来，人们就对微观世界充满了敬畏和好奇心。光学显微分析技术则是人类打开微观物质世界之门的第一把钥匙。通过五百多年来的发展历程，人类利用光学显微镜步入微观世界，绚丽多彩的微观物质形貌逐渐展现在人们的面前。

15世纪中叶，斯泰卢蒂（Francesco Stelluti）利用放大镜，即所谓单式显微镜研究蜜蜂，开始将人类的视角由宏观引向微观世界的广阔领域。此后，人们从简单的单透镜开始学会组装透镜具组，进而学会透镜具组、棱镜具组、反射镜具组的综合使用。约在1590年，荷兰的詹森父子（Hans and Zacharias Janssen）创造出最早的复式显微镜。17世纪中叶，物理学家胡克（R. Hooke）设计了第一台性能较好的显微镜，此后惠更斯（Christiaan Huygens ）又制成了光学性能优良的惠更斯目镜，成为现代光学显微镜中多种目镜的原型，为光学显微镜的发展作出了杰出的贡献。19世纪德国的阿贝（Ernst Abbe）阐明了光学显微镜的成像原理，并由此制造出的油浸系物镜，使光学显微镜的分辨本领达到了0.2微米的理论极限，制成了真正意义的现代光学显微镜

1 光学显微分析方法

光学显微分析是利用可见光观察物体的表面新貌和内部结构，鉴定晶体的光学性质。透明晶体的观察可利用透射显微镜，如偏光显微镜。而对于不透明物体来说就只能使用反射式显微镜，即金相显微镜。利用偏光显微镜和金相显微镜进行晶体光学鉴定，是研究材料的重要方法之一。

1.1 偏光显微镜

是目前研究材料晶相显微结构最有效的工具之一。随着科学技术的发展，偏光显微镜技术在不断地改进中，镜下的鉴定工作逐步由定性分析发展到定量鉴定，为显微镜在各个科学领域中的应用开辟了广阔的前景。

1.2 反光显微镜

反光显微镜是金相显微镜与矿相显微镜的总称。它是金属材料和无机非金属材料等领域的一个重要研究手段。随着对反射光下晶体光学性质研究的深入，反射光下研究晶体的范围不断地扩大，对晶体光学性质的研究逐步由定性研究发展到定量分析，在科学研究和工业生产中都得到了普遍的应用。

1.2.1反光显微镜的调节和使用

反光显微镜的调节主要包括物镜中心的校正、偏光系统的校正和垂直照明系统的校正三部分。

物镜中心的校正与偏光显微镜的校正大体相同，偏光镜振动方向可借助石墨或辉钼矿晶体来校正，而照明系统的校正则包括光源、视场光阑和孔径光阑校正三部分。通过光源调整使视域亮且均匀；通过视场光阑的调节使光阑中心与目镜中心重合，并避免边缘杂乱光线的干扰；通过孔径光阑的调节挡去射向视域边缘有害的漫反射光线，并调节视域中光的亮度，控制影像的反差。

利用金相显微镜可以对光片表面相的形貌、尺寸、颜色、分布进行观察。对于那些不

透明晶体（指光片厚度在0.03mm 时不透明）来说，金相显微镜有效地填补了偏光显微镜在这方面的局限性。同时，金相显微分析法的光片制片简单，光片受浸蚀后晶体轮廓清晰，便于镜下定量测定，适宜于生产控制。且金相显微镜的构造简单，操作方便，容易掌握，因而在科研和生产中得到了普遍的应用。

近几十年来，在反射光下研究矿物晶体，无论从理论到方法都有了新的进展。反射光下对晶体光学性质的测定和矿石结构构造的研究，已逐步由定性发展到定量，反光显微镜的研究领域正在逐步扩大。

2 特殊光学显微分析法

为了更好地提高光学显微技术的分辨率，更清晰地研究材料显微结构和测定某些光学性质，常常利用一些特殊的光学显微研究方法，包括特殊照明术、相衬显微术、干涉显微术和高温金相显微术等。

2.1特殊照明术

光学显微分析中像的衬度是图像质量的重要指标。而金相显微镜的照明方式会影响光学图像的衬度。

2.1.1明场照明术

明场照明是金相显微镜中常用的照明方式。使用明视场照明时，光线均匀照射到光片表面，视域中矿物表面整个是明亮的。光片中的平坦表面能将大部分光反射回物镜，而凹陷部分会将光散射到物镜外面，光片上的这种不同表面平整状态以及物相的不同反射力和颜色等则造成不同的明暗反差和颜色反差。人眼根据明暗和颜色不同则能识别不同物相及其它们的形貌细节。在金相显微镜的光学系统中，配置了孔径光阑和视场光阑。正确地调节使用这两个光阑，可以充分发挥物镜的分辨能力，并兼顾景深，获得具有良好衬度光学图像

2.1.2暗场照明术

暗场照明术需要金相显微镜配备专门的暗视场照明器。暗视场照明器一般由垂直照明器、暗视场聚光器、物镜及环形光圈等部分组成。它利用在视场光阑后面插入一个环形光阑，使得来自光源的平行光束形成一个环形光束，经物镜外围的抛物面反射镜以大倾斜角投射到样品表面. 此时在平坦表面上的反射光线也以极大的倾斜角反射而不能进入物镜，在视域内呈黑暗色。只有在物相的裂纹、凹陷部分、交界面及界线等部位上的部分散射光线才有可能射入物镜而呈现明亮色。这将给人的眼睛造成了极明显的明暗反差或颜色反差，便于更好地区分各种不同矿物

2.2相衬显微术和干涉显微术

相衬显微术和干涉显微术也是提高显微镜分辨率的两种技术，它们利用特殊的光学装置将不同物相之间不可见的微量光程差转变为可见的干涉彩色，用来区分衬度相差很小的金相组织。偏光、反光两种显微镜均可采用这两种技术。

2.2.1 相衬显微术

相衬显微术是利用装在显微镜物镜内的相位板，使反射光线产生干涉或叠加，把具有相位差的光转换成具有强度差的光，以鉴别金相组织。

相衬反光显微镜即在金相显微镜光阑位置换上一块单环或同心双环遮板，并在物镜后焦面上放置一块相板。相板即一块透明玻璃片，并在对应于圆环遮板的透光狭缝处真空喷镀两层不同物质的镀膜，称为相环，起着移相和降低振幅的作用。光线经过圆环遮板后呈环形光束射入显微镜并到达相板上，环形光束正好与相板上的相环完全吻合。如果光片表面是个理想光学平面，则环形光束射入光片后产生的直接反射光仍然与相环吻合。如果样品表面有不规则的地方，则除了直接反射光外还有部分衍射光，衍射光投射在整个相板上（投射在相环

上的衍射光所占比例极小而可忽略），而直接反射光则因通过相环而产生光程差，两者产生干涉而改变光的强度，从而达到提高衬度和分辨率的目的。利用相衬显微镜可以区分两相位差在10-150nm 范围内金相组织

2.2.2干涉显微术

干涉显微术是将光波的干涉技术与显微镜结合起来，利用光的干涉研究物相更细微的表面高度差，可观察到的高度差可至数十纳米。

根据光的干涉原理，具有相同频率、相同振动方向和恒定光程差的光线在空间叠加时会产生干涉。两片平面玻璃，在一端垫一薄片形成一个空气尖劈，如图2.37所示。当一束单色光由S 点射到平板玻璃上，在上下两片玻璃表面反射出两束存在一定光程差的光，并产生干涉现象，因而在目镜中可见明暗相间的条纹。如果用被测试样表面代替尖劈下面的一块平板玻璃，即可用来检测样品表面的平整度和表面粗糙度。如果被检测表面是平整的，则其干涉条纹为一组平行直线；如表面不平，则干涉条纹将发生弯曲。根据干涉条纹的形状即可检测样品表面的细微高度差和平整情况。在偏光或反光显微镜上只需加装专用棱镜系统即可实现干涉显微分析。

参 考 文 献

[1]任飞亦. 光学显微镜设计与分析［M ］. 北京：高等教育出版社,2003：226-230.

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[3]黄满迎. 材料与光的分析［C ］∥ 走向21世纪的中国力学—— 中国科协第九次青年科学家论坛报告文集北京：清华大学出版社，1996：78-87.