塑料糰的试样座 试样 物镜的后焦点 虹膜式 t滤器 持主焦 反射器 九派DD 表囿镜 最终的虑像 图12具有倒置载物台的金相显微镜的典型光学系统简图 达眼睛。 光线的折射角取决于其波长。因此两股不同波长的光线由物体上的同一点以 相同方向过来,当撞击到镜片表面后会有不同的折射。这就导致聚焦错误,称作 色散。为避免这点,可在光束中放置一过滤器以产生单色光束。 另一个镜头误差是球面色差。如果镜头是理想的,两束光线从一个物体上以 不同的角度发射出来,通过镜头后,应能成像于同一点。然而,只有当镜头表面 的几何形状正确时才能获得正确的折射角度。绝大多数的镜头都磨成近似于球状 的表面,这并不是正确的几何形状。因此由同一点发出的两束光线不能聚焦于同 点。在物镜附近放置一个矫正孔来限制离轴光束则可减少此误差。孔越小、对 图像的离轴光束就越少,图像就越清晰。但是,当孔变小时,光线的密度减少 因此对孔的尺寸有个下限。更为重要的是,当物体发出的光线撞击到孔的边缘时 会衍射并产生波阵面。在图像面上,此波阵面会与直接经过孔的开口处而没有撞 击到孔边的波相互作用,这样就产生了干扰 如果孔径足够大,由离轴光线所引起的图像清晰度的损失会掩盖由衍射效应 而引起的清晰度的降低(见图1.3)。然而,随着孔径的减小,衍射作用会变得 更重要。因此所使用的孔径有一个最佳值
由衍射效应所引发的 基本上决定了一个平面上点4我 限制是很重要的,因为它 的细节小到什么程度而仍 点B A点的图像 然能被分辨清楚。也就是 说,如果在平面上有两个 突出的点聚集得太紧密, 它们会成像为一个大的点 B点的图像 而不是两个不同的点。两 A点的图像 点间能获得分离的图像所 容许的最小距离称为显微 镜的“分辨率”。分辨细 节的能力称为“清晰度 B点的图像 而分辨率是清晰度的量度。 注意,分辨率是一距离 A点的图像 为了看到(或分辨)细 节,分辨率应小公雄 RP)取决于 数,其数学 为 0|0 式中,A为所 波长;MA为 MA可由下式 NA 孔径减小 式中,η为物体与物镜间 介质的衍射系数;μ为聚 光角(见图1.4)。 a)以简图说明孔径尺寸减小对图像清晰度的影响。然而 注意,有三种方法可 如果孔径太小则其边缘的衍射作用会限制清晰度 以改善清晰度(缩小分辨b)白炽灯丝的小孔照片,可见随孔径的减小,图像 率)。一是采用波长较小 清晰度改善,后又恶化(摘自 Ruechardt3l) 的光线。这点受到需要使用可见光及绝大多数镜头因色散矫正得到单一波长的限 制。另一方法是增加物体与物镜间介质的衍射系数。此介质通常为空气,其系数 基本为1.0。可以采用浸油镜头,油的行射系数可达1.4,这样可改善分辨率约
40%。具有更高衍射系数的液体是不合适 的,因为这样会使光的透射减少到无用的 水平。第三种方法是增大聚光角。这点在 镜头设计时完成。注意,这是有限制的, 透镜与物体间的 因为此角不能超过90°(见图1.4) 介质,一般为空 图1.5生动地说明了清晰度的含义 两张照片的放大倍数相同。(测量照片底部 的黑棒即可计算,黑棒注明为10μm,也即 放大了104(即把微米换算成厘米),见附 录F〕]然而,获得这两张照片时采用了不图1.4用以确定数值孔径的 同的物镜。图1.5b采用数值孔径为0.1的 μ角示意图 镜头,得到的图像是一个椭圆形的物体;而用了数值孔径为14的物镜后得出图 1.5a的图像,现在这同一个物体表现为三个分离的平行四边形。用式 图1.5b照片的分辨率为16μm,而图1.5a的分辨率为0.1pm 显微镜最重要的特忄 现在,照片是如何放 的分辨率在25cmf 00lcm,这一距离是 距离。在此距离下, 细节聚集得比0.01 人眼就不能分辨。( 么光学显微镜设计成 25cm处。见图1.2) 过放大才能见到更小二 为例子,请见表1.5 10um 了一台典型的金相显 与物镜的放大倍数与,n。 公式(1.1)计算分辨率,采用图15用不同数值孔径的物镜所得到的 绿色光的波长(546mm)。如果某 铬酸银晶体照片。波长546mm(绿光) 个受观察的物体的细节分离在)N=.4b)X4=0.(4自pe) μm,则无论放大多少倍,用5x物镜均不能分辨此细节。然而,采用10x物镜 就能使此细节成像,因为此镜头的分辨率为546m,也就是说小于1pm。如果采 用20×目镜配合此物镜,总的放大倍数为200×,此细节分离1μm,显现于眼前 的则为分离1μm×200,即0.02cm,此值大于肉眼的分辨率,所以此细节就可分
辨了 由此可见,显微镜的镜片系统必须能把欲分辨的细节放大到约0.0lcm,以 便肉眼能见到亡。在光学显微镜中波长是近似固定的(它必须位于可见光范 ),数值孔径被角μ限制,不能大于90°(见图14),以及衍射系数限制在约 1.4ε因此对分辨率就有-…个近似的限制,也没有必要提供一套镜头系统,它能 给出比使肉眼能看出欲分辨的最小细节所需的更高的放大倍数:此放大倍数近似 为1500×,这就是为什么光学显微镜,即使带有照像波纹管附件,其放大倍数 也不超过约3000 我们已经有到显微镜的最重要的特性之一是清晰度,同时我们看到放大倍数 是如何与清晰度联系的,在断口组织试验中一个重要的特性为“视场深度”。 此术语为:当保持在图像平面聚焦时,物体表面形貌所允许的高度变化(也就 是说,物体在不同的水平处应能聚焦在同一平面):此范围与孔径和光的波长有 关:孔的开门介入面的途径如图1.6所示。它表明,最小的孔径,相应有足够 的密度以見到图像,是最佳孔径。但是,必须再次考虑孔的边缘的衍射作用,并 μ这也是为什么波长会影响视场深度的原因。波长越小,其十扰作用越少 视场深度越大。 孔径 点B的图像 点B 点4的图像 }B的图像 4的图像 图1.6位于试样上不同水平的两个点,其图像的清晰度受孔径的影响 应注意“视场深度”的重要性,设想釆用一台光学显微镜来观察细节,其 物镜的极限分辨率为约200m(见表1.5)。在此场合,其视场深度约为400nm
即0.4μm。因此,如果此显微镜用于观察断门表面,任何不规则的高度变化大 于0.4μm就不能同时聚焦。如果此镜头的分辨率约为1.6μm〔某人可能用一镜 头做低倍放大(例如50×)观察〕,此时视场深度约为10μm。对于裸眼,视场 深度约为0.0lcm 表15金相显微镜的典型透镜组合所具有的放大倍数与分辨能力 (采用546mm的波长) 总的放大倍数 分辨率/x10-"0m 5×(NA=0.10) 16380 50 0×(M=0.30) 40×(A=0.65 200x 40x 600x 注;M一数值孔径 1.3.2透射电子显微镜 透射电子显微镜(TEM)的操作方法原则上与光学显微镜(OM)的非常相 似。图1.7比较了这两种仪器的总的光学路径。当然,在这两种显微镜间有重大 的实际差别。从定义看,其试样是通过透射来观察的,所以它必须足够薄以便电 子流能完全穿透。这产生了一个试样制备的问题(见14.2节)。由于在空气中 电子容易散逸,所以试样必须放在真空中,当然这并不算是一个严重的操作问 题。其所能观察的区域很小,所以对大试样进行检查是困难而费时的。因为人眼 不能看见电子,故其图像由电子撞击磷光屏而生成,在此屏幕上进行观察。 透射电子显微镜的优点远远超过其缺点,所以它发展成在失效分析领域中被 广泛应用的工具。透射电子显微镜与光学显微镜相比,其主要优点在于电子束与 叮见光相比波长更短。式(L.1)用来计算分辨率,它清楚地表明降低波长可以 改善清晰度。可见光的波长约为500nm,然而用于电子显微镜的典型波长为约 4pm。这就可以改善清晰度至约103倍。然而,为减少球面色散,采用较小的孔 径,所以式(1.2)中的角μ是相当小的,在01°的数量级。虽然这样会降低清 晰度的等级,但是电子的波长较小是主要因素,同时透射电子显微镜的清晰度大 大优于光学昴微镜的。正因为这个比较好的清晰度使透射电子显微镜得到如此广 泛的应用