钢铁金相实验技术中的照明系统

金相显微镜必须依靠附加光源方可进行工作，这一点与生物显微镜不同。照明系统的任务是根据不同的研究目的调整、改变采光方法，并完成光线行程的转换。该系统的主要部件是光源与垂直照明器。

一般金相显微镜采用灯光照明，借棱镜或其它反射方法使光线投在金相磨面上，靠金属自身的反射能力，部分光线被反射而进入物镜，经放大成象最终被我们所观察。下面讨论照明系统主要部件及作用。

光源

（一）光源及其装置

1 光源的要求

由显微镜自身的工作特点决定了对光源的特别要求：

（1）光强度大，并在一定范围内可任意调整。因为不同的组织衬度，不同的放大率，需有不同的照明强度。因此，最好选用可调式光源。当光源不带调压装置时，可利用滤光片调整光强度，或利用光栏调节光通量。

（2）光源的强度要均匀。可借助聚光镜、毛玻璃等置于光路的适当位置，以获得均匀的光束。

（3）光源的发热程度不宜过高，以免损伤仪器的光学附件。为此，于强光源前可安置吸热、散热装置。

（4）光源位置（高低前后、左右）可以调整。

2  光源的种类

目前金相显微镜中最普遍应用的是白炽灯和氙灯，此外尚有碳弧灯、水银灯、单色光灯等。这里仅对白炽灯和氙灯作简要说明。

（1）白炽灯（钨丝灯）

一般中、小型金相显微镜都配有这种照明装置。工作电压6～12V，钨丝发光面积的亮度约为每平方毫米l0支烛光。一般围绕钨丝灯的功率多为l5瓦～30瓦。钨带灯的功率较高，常在100瓦以上。

使用低压钨丝灯必须备有降压变压器，将220V降至6～12V。低压钨丝灯适用于各种台式、立式显微镜观察及短投射距离的金相摄影。此外，大型金相显微镜亦备有钨丝灯作金相观察之用。

(2)氙灯

超高压氙灯是球形强电流的弧光放电灯。辐射出从紫外线到接近红外线的连续光谱，可见区光色近于日光，具有亮度大，发光效率高及发光面积小等优点。近年来被广泛用作显微镜的照明光源。

氙灯在管内充有一定压力的气体，一般的电源电压不能使它起弧点燃。它是靠“触发器”使瞬间加在灯管两端的电压达40kV的脉冲高压，引起灯管弧光放电而点燃。灯管经发光点燃，触发器就停止工作，保证氙灯正常工作电压为l8V、额定电流8A下工作。国产氙灯功率一般采用150瓦。氙灯由于亮度大，适宜于作偏光，暗场、相衬观察及显微摄影时的光源。一般大型金相显微镜同时备有两种照明光源，以备普通明视场观察及特殊情况的组织观察、显微摄影之用。

(二)光源的使用方法

光源由于集光透镜位置不同，使光程中集光情况不同，因而得到不同的照明效果。金相显微镜中光源常用的使用方法为临介照明、科勒照明，散光照明和平行光照明。

1．临界照明

临界照明或称奈尔雄(Nelson)照明是奈尔雄1885年发展的，早期的金相显微镜多按此设计，目前很少使用。

这种照明方式最好是点光源，如带状灯丝，白炽灯或氙甄灯。试样置子载物台上，把灯向显微镜移近或移开直到灯源的象聚焦在试样表面上。此法的主要缺点是灯源成象在试样表面对于显微造象产生很不均匀的照明。

2．科勒照明

科勒照明是由科勒1893年发展的，是目前广泛应用的照明方式。

这种照明方式对光源的要求没有临界照那样严格，其特点是：光源的一次象借助于灯聚光器聚焦在孔径光栏处，孔径光栏同光源的一次象一起聚焦在接近物镜的后焦平面上。此外，灯聚光器聚焦在视场光栏上，视场光栏同灯聚光器的一次象一起聚焦在试样表面上。这就意味着光源不需要包含一个均匀的发射光的表面，提供了一个很均匀的照明场，因此卷曲的钨丝灯亦可得到均匀地照明。

3．散光照明

如果用绕丝灯作为临介照明的光源，钨丝的投影象叠映在显微放大的物象上，则有显著的明暗差别。为此，在透镜组Ⅱ的前面放置一块毛玻璃，使毛玻璃中央得到较大面积均匀的照明。光线在毛玻璃上的散射面就成了显微镜的二次照明光源，使之最终得到均匀照明的象域。见图1。

图1

散光照明的特点是照明效率较低。投射型钨丝灯适于采用散光照明，其它点光源不宜采用。

4．平行光照明

将点光源置于透镜焦点上，经透镜后将得到平行的光束。如图2的装置：将经过聚光透镜I会聚后的光源一次象置于透镜Ⅱ的焦点处，光线将发散成均匀的平行光束。

图2

平行光照明的效果较差，主要用于暗视场照明。各类光源均可适用。

(三)垂直照明器与光路行程

金相显微镜的光源一般位于镜体的侧面，与主光轴成正交。因此，需要一个“垂直照明器，起光路垂直换作用。垂直照明器的种类有平面玻璃、全反射棱镜、暗场用环形反射镜，分别置于图3、4、5中所标示的位置。

由于观察目的不同，金相显微镜对试样的采光方式要求亦不相同。据此，可分明视场照明和暗视场照明。下面介绍这两类采光方式的光路行程。

1．明视场照明光路行程

明视场照明是金相研究中的主要采光方法，其光路行程如图2，3所不。垂直照明器将来自光源的光线转向、并照射在金相试样表面上。由试样表面反射的光线复又经物镜、目镜成象。如果试样表面光滑如镜，那么显微镜中观察到明亮的一片；而反光能力差的相或产生漫散射的地区将变得灰暗。

在高倍观察时，宜采用平面玻璃作垂直照明器。此时，光线可充满物镜的孔径角，使物镜的分辨能力得到最好的发挥。但由于光线透过平面玻璃损失较大，故映象衬度稍差；在低倍放大时，宜采用全反射棱镜作垂直照明器。虽然此时物镜内只有一半充满光线，降低了物镜的数值孔径，致使分辨能力减小。但成象的衬度较高，且富有立体感。

图3

图4

2．暗视场照明光路行程

暗视场与明视场显微镜的区别在于：明视场中经垂直照明器转向后的入射光束通过物镜直射到目的物上，而暗视场则是使入射光束绕过物镜斜射于目的物上。这样的光束是靠环形光阑及环形反射镜获得的。

图2是暗视场工作原理的光路行程简图。光源经聚光镜获得的平行光束，在环形光阑处受阻，仅使部分光线沿筒形管道通过，并由暗场环形反射镜转向后，沿着以光轴为中心的环形管道前进。此时，光线不通过物镜而首先投射到物镜外的曲面反射镜上，通过反射使光束斜照在目的物上。因此，表面光滑的目的物反射出来的光线不能到达物镜，显微镜内是黑暗的；而目的物上能使光线产生漫散射的浮雕处(如某些夹杂物相)，因漫散射的产生将有部分光线可到达物镜，在显微镜内观察到是明亮的；由于某些透明、半透明物相产生内反射的结果还可观察到它的固有色彩(体色)。因此，暗视场适用于观察平滑视，野上细小的浮雕微粒。常用于鉴定非金属夹杂物。

二、光路系统其他主要附件及作用

1．光阑

在金相显微镜的光路系统中，一般装有两个光栏，以进一步改善映象质量。靠近光源的一个叫孔径光阑，后一个叫视域光阑。某些小型台式显微镜仅有一个孔径光阑。这两个光阑的调节，对最后的映象质量关系极大。

孔径光阑的作用是控制入射光束的大小，对某些象差的大小有重要影响：缩小孔径光阑可减小球差和轴外象差，加大景深和衬度，使映象清晰。但却会使物镜的分辨能力降低。理论上合适的孔径光阑大小应以光束刚刚充满物镜后透镜为准。实际观察时无法检查后透镜光线充满的情形，按经验可取下目镜直接观察筒内灯丝映象面积占整个筒面积的昙～寻时，为适宜的孔径光阑。图5是孔径光阑对成象质量的影响。

图5

图6

视域光阑于光程中所处的位置为：经光学系统造象于金相磨面上。因此，调节光阑大小可改变视域的大小，但并不影响物镜的鉴别率。视域光阑愈小，映象衬度愈佳。故为了增加衬度可将视域光阑缩小到最低限度，即观察时调至与目镜内视域同样大小。在摄影时则调节至画面尺寸为限。视域光阑对映象衬度的影响见图6。

2．滤色片

滤色片的作用是吸收光源发出的白色光中波长不合需要的部分，只让一定波长的光线通过，从而得到一定波长的光线。因而，滤色片是金相显微摄影(黑白)时一个有力的辅助工具，用以得到优良的金相照片。

使用滤色片的目的主要有：

(1)增加映象衬度或提高某种彩色组织的微细部分的鉴别能力。

图7

如经染色的金相试样在显微镜下可观察到鲜明的彩色映象，但采用黑白片摄影时，往往因其明暗差别小而得不到理想的衬度。因而需借助滤色片来改进衬度。

我们知道，一种一定颜色的光线，比如红光按照已知的比例与绿光相混合，共同投射到眼中时，便会造成白光的感觉。这种现象叫做“色的合成”；而在合成时可造成白色光的各对相应颜色则称为“互补色”。例如下述各对颜色均为“互补色”。

红色-青绿色   橙色-蓝色

绿色降红色    紫色-黄绿色

从互补色的规律可知：如果从白光中把红光吸收掉，则可得到青绿色的光。因而设置在白光前的滤色片看来若为绿色的，则是因为选择吸收了白光中降红色的光线之故。同理，蓝色滤色片则是吸收了白光中的橙色光。

这样，我们在选择滤色片时，为了使某一相的色彩因滤色片加入而变成暗黑色调，以提高映象衬度，则应使滤色片吸收掉对该相来说反射系数较高的光线，即运用该相色彩的补色来滤光。如淬火高速钢用某种试剂经薄膜染色后，基体呈淡黄色，碳化物为淡红色，则可用深绿色滤色片使碳化物变成暗黑色调。

如果观察目的是要分辨某一组成相的微细部分，则衬度在这时便退居次要地位，可选用与所需鉴别的相同样色彩的滤色片，使该色的物相能充分显示。如淬火高碳钢经热染后，奥氏体呈棕黄色，马氏体呈绿色，加绿色滤色片后摄影有助于马氏体针内细节的鉴别。

(2)校正残余象差

由于消色差物镜象差的校正仅在黄绿波区比较完善，故使用时应配用黄绿色滤色片，其它色彩的滤色片均显著暴露消色差物镜的缺点，降低映象质量。复消色差物镜对各波区象差校正极佳，故可不用滤色片。或根据衬度需要选择而不受象差校正的限制。

(3)  得到较短的单色光以提高鉴别率。

我们知道光源波长愈短，物镜的鉴别率愈高，如采用λ=4400A的蓝光将比λ=5500A的黄绿光具有更高的鉴别能力。

三、机械系统

显微镜的机械系统主要有底座，载物台，镜筒、调节螺丝及照相部件等。其作用分述如下：

(1)  底座起支撑整个镜体的作用。

(2)  载物台用于放置金相样品。一般备有在水平面内能作前后、左右移动的螺丝及刻度，以改变观察部位；或有的载物台可在360。水平范围内旋转。

(3)镜筒是物镜、垂直照明器、目镜及光路系统其它元件的联接筒。

(4)调节螺丝供调节镜筒升降之用。有粗调螺丝、微调螺丝，以完成显微映象的聚焦调节。

四、显微镜的操作与维护

金相显微镜属精密的光学仪器，操作者必须充分了解其结构特点、性能及使用方法，并严守操作规程。

(1)显微镜应放置在干燥通风，少尘埃及不发生腐蚀气氛的室内。室内相对湿度应小于70%，要注意适时通风。但同时仪器不宜长期受阳光直射。室内温度过低显微镜机械部分的润滑油脂容易冻结，使操作困难，在冬季无暖气设备的室内可用空调或电炉维持室内温度。

(2)显微镜用毕后，应取下镜头收藏在置有干燥剂的容器中，并注意经常更换干燥剂在显微镜物镜、目镜装置处放上防护罩，以防尘埃进入镜体；最后用罩子将整个显微镜体盖好，仪器周围或内腔最好放置防霉剂，如甲醛8一萘酚、麝香草酚等慢性挥发药品。

(3)操作时双手及样品要干净，绝不允许将浸蚀剂未干的试样在显微镜下观察，以免腐蚀物镜等光学元件。

(4)操作时应精力集中，接通电源时应通过变压器，装卸或更换镜头时必须轻、稳、细。

(5)聚焦调整时，应先转动粗调螺丝，使物镜尽量接近试样(目测)，然后边从目镜中观察，边调节粗调螺丝，使物镜渐渐离开样品直到看到显微组织映象时，再使用微调螺丝调至映象清晰为止。

(6)油浸物镜用毕后应立即擦净。方法是：首先用镜头纸将镜头表面残留的油擦去，再浸润少许(1滴)二甲苯溶液或丙酮擦拭。最后用干净镜头纸(或绸布)擦干净，擦干的目的是防止溶液将镜头内粘合树胶脱溶，损坏物镜。

(7)显微镜的光学元件严禁用手或手帕等擦摸，必须先用专用的橡皮球吹去表面尘埃，再用干净的驼毛刷或镜头纸轻轻擦净。