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1、实验一多晶硅硅块金相实验实验1.理解金相显微镜的成像原理。2.熟悉金相显微镜的结构与主要部件的作用。3.掌握多晶硅硅块金相实验。二实验原理人们用来观察金属内部组织结构的光学显微镜称为金相显微镜，它是目前研究金属显微组织最常用的重要工具。金相显微镜是根据几何光学的基本原理,由许多光学元件按一定的要求组合而成的精密光学仪器。随着科学技术的进步和发展,金相显微镜在构造、性能等方面也在不断的改进和提高。偏振光、相衬、光的干涉、高低温等特殊光学分析技术在显微镜上的应用,更加扩大了金相显微镜的应用范围。1.显微镜
2、的基本原理一般正常人看物体时，明视距离为250mm左右，在这个距离正常视力的人可以分辨的两点最小距离约为0.15〜0.3mm,大于或小于这个距离虽然能看见，但不易分辨物体的细微部分，而且眼睛容易疲劳。金属显微组织中的相和各组织组成物之间的距离均小于这个数值,因此必须利用金相显微镜加以放大才能看清。利用单个凸透镜可以将物体的实像放大,利用一组透镜可以使放大倍数进一步提高，但这些还满足不了对金属显微组织观察的要求，因此，金相显微镜设计时考虑用另一透镜组将第一次放大的像再次进行放大,以得到更高放大倍数的像。
3、根据这一设计，金相显微镜中装有两组放大透镜，靠近物体的一组透镜称为物镜,靠近眼睛进行观察的一组透镜称为镜。图金相显微镜的成像原理金相显微镜的成像原理示意图如图1・1所示。物体AB置于物镜的一倍焦距（FJ以外，两倍焦距之内的位置上,通过物镜后可形成一个倒立、放大的实像A1B1,当实像A1B1位于目镜的一倍焦距F2以内时，则目镜又使A1B1放大,在目镜的物方两倍焦距以外，得到AB】的正立放大的虚像A2B2。这最后映像A2&是经过物镜、目镜两次放大后得到的。怎念又通过眼睛这一光学系统成像于视网膜上（A3B3
4、）,因而可观察到相对于物体是倒立的放大图像。显微镜在设计时,让目镜的焦点位置与物镜放大所成的实像位置接近,并使最终的倒立虚像在人的明视距离处（约250mm）成像,这样就可以使人的观察效果最为清晰。2.显微镜的放大倍数从显微镜的成像原理可知，显微镜的放大倍数应当是物镜的放大倍数与目镜放大倍数的乘积。物体AB经物镜放大后的放大倍数为：(1-1)式中£、人分别为物镜的前焦距和后焦距，△为显微镜的光学镜筒长。物像几Bi经目镜放大后的放大倍数为：M目二Sf2(1-2)式中，匚为目镜的前焦距；S为人眼的明视距离,
5、—般S=250mm左右。所以显微镜的总的放大倍数应当是：M=M物M目A250(1-3)显微镜物镜的放大倍数可达100倍”目镜的放大倍数可达25倍，通长显微镜设计的最高放大倍数为1600-2000倍，但因受物镜分辨能力的限制,-般可放大1000~1500倍。放大倍数用符号〃x〃表示，分别标注在物镜与目镜的镜筒金属外壳上。3•透镜的像差透镜在成像过程中,许多原因都会使得形成的像与理想像之间存在一定的差异,甚至变形或模糊不清,这种现象称为光学系统的像差。像差按产生的原因和影响成像质量的性质分为单色像差和色像
6、差。单色像差是单色光成像时产生的像差,如球差、像散、场曲、慧差和畸变等。色像差是多色光成像时,由于介质折射率随光的波长不同而变化所弓I起的像差，包括轴向色差和垂轴色差两种。由于像差的存在从不同角度影响了显微镜的成像质量，因此在设计制造中应尽量使之减少，但完全削除像差是不可能的,还需要使用者在使用过程中通过适当的操作把像差进一步减小到最小程度。4.金相显微镜的主要性能(1)鉴别率显微镜的鉴别率是指显微镜视场中能够清晰分辨试样上相邻两点之间最小距离的能力,它主要决定于显微镜物镜的鉴别率。鉴别率通常用两个物
7、点之间能清晰分辨的最小距离d的倒数来表示,d越小,鉴别率越高。显微镜的鉴别率主要取决于入射光的波长和数值孔径，可用下式表示:2NA式中，兄为入射光的波长；NA为数值孔径。从公式中可以看岀NA越大或2越小,鉴别率就越高。数值孔径是金相显微镜的一个重要参数,其大小表征了物镜的聚光能力,值越大聚光能力越强，从试样上反射进入物镜的光线越多，从而使显微镜的鉴别能力提高。数值孔径的数学表达示为(1-5)NA=nsin(7式中n为物镜与试样间介质的折射率，。为物镜的孔径半角，如图1-2所示。图"物镜的孔径角从公式中
8、可以看出,增加孔径角和介质的折射率都可使数值孔径增大。增加孔径角a的途径一是增加透镜的直径，二是缩短物镜的焦距。增加透镜的直径会给像差的校正带来困难,因此不实用。增大物镜与试样之间介质的折射率主要是通过选择不同的介质来实现的。例如，空气的折射率为1,而松柏油的折射率为1.515。因此，以油为介质的物镜有较大的数值孔径。物镜的数值孔径与放大倍数一起刻在镜头的外壳上。(2)有效放大鹽有效放大倍数是保证物镜充分利用时所对应的显微镜的放大倍数,推导后的公式为：N
