第2章光學(xué)顯微分析.

1、理學(xué)院郭敏杰理學(xué)院郭敏杰l2.1材料形貌分析簡介材料形貌分析簡介l2.2光學(xué)幾個基本知識光學(xué)幾個基本知識l2.3幾種常用顯微鏡的工作原理幾種常用顯微鏡的工作原理l2.4光學(xué)顯微分析的發(fā)展光學(xué)顯微分析的發(fā)展l2.5 顯微鏡的成像原理顯微鏡的成像原理l2.6偏光顯微鏡偏光顯微鏡l物體的表面是物質(zhì)存在的一種客觀形式物體的表面是物質(zhì)存在的一種客觀形式，固體從，固體從體相體相延伸延伸到到表面表面，最終在表面形成原子及其電子分布的終端，從而最終在表面形成原子及其電子分布的終端，從而導(dǎo)致表面具有體相所不具備的新的特點(diǎn)和新的特征。導(dǎo)致表面具有體相所不具備的新的特點(diǎn)和新的特征。同時同時也破壞了物體的連續(xù)性。因此

2、研究物體的表面比研究物體也破壞了物體的連續(xù)性。因此研究物體的表面比研究物體的體相有更大的難度。的體相有更大的難度。l在表面分析中，由于在表面分析中，由于表面層的光學(xué)干涉、表面缺陷、粒度表面層的光學(xué)干涉、表面缺陷、粒度大小等表面變化為微觀變化大小等表面變化為微觀變化，實測結(jié)果往往與常規(guī)觀察的，實測結(jié)果往往與常規(guī)觀察的判斷有很大的區(qū)別。判斷有很大的區(qū)別。l材料的形貌也是材料分析的重要組成部分，主要分析材料的形貌也是材料分析的重要組成部分，主要分析材料材料的幾何形貌的幾何形貌，材料的顆粒度材料的顆粒度以及以及顆粒度的分布顆粒度的分布等方面。等方面。 l光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡（掃

3、描電子顯微鏡（掃描電子顯微鏡SEMSEM；透射電子；透射電子顯微鏡顯微鏡TEMTEM；掃描隧道顯微鏡；掃描隧道顯微鏡STMSTM；原子力顯微鏡；原子力顯微鏡AFMAFM）人眼：人眼：0.2mm/250mm0.2mm/250mm光學(xué)顯微鏡：光學(xué)顯微鏡：0.2um0.2um電子顯微鏡：電子顯微鏡：0.2nm0.2nm幾個重要的分辨率幾個重要的分辨率) )l 人眼：人眼：通常在通常在25cm25cm的明視距離內(nèi)，人眼只能分辨相距的明視距離內(nèi)，人眼只能分辨相距0.1-0.1-0.2mm0.2mm的兩個物體。即物體相距不到的兩個物體。即物體相距不到0.1mm0.1mm的時候，人眼就會的時候，人眼就會把它

4、們看成是一個物體。這個極限即為人眼的分辨本領(lǐng)。把它們看成是一個物體。這個極限即為人眼的分辨本領(lǐng)。l顯微鏡的分辯本領(lǐng)：顯微鏡的分辯本領(lǐng)：z z0.610.61/（nsinnsin），顯微鏡的分），顯微鏡的分辯本領(lǐng)與光的波長成正比。光的波長越長，其分辨率越低。辯本領(lǐng)與光的波長成正比。光的波長越長，其分辨率越低。只有采用比較短的波長的光線，才能獲得較高的放大倍數(shù)。只有采用比較短的波長的光線，才能獲得較高的放大倍數(shù)。 l光學(xué)顯微鏡：光學(xué)顯微鏡：由于可見光波的波長在由于可見光波的波長在500nm500nm左右，其衍射效應(yīng)左右，其衍射效應(yīng)使得光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不能小于使得光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不能小于20

5、0nm200nm。l電子顯微鏡：電子顯微鏡：電子波電子波(1.50/E)(1.50/E)1/21/2nmnm。當(dāng)加速電壓為。當(dāng)加速電壓為100kV100kV時，電子的波長僅為時，電子的波長僅為0.0037nm0.0037nm；當(dāng)；當(dāng)E=30KeVE=30KeV時時,0.007nm,0.007nm。電子顯微鏡可以獲得很好的高分辨率圖像，電子顯微鏡可以獲得很好的高分辨率圖像，0.2-0.5nm.0.2-0.5nm.基本原理基本原理 SEM SEM是利用聚焦電子束在樣品上掃描時激發(fā)的某種物理信是利用聚焦電子束在樣品上掃描時激發(fā)的某種物理信號來調(diào)制一個同步掃描的顯象管在相應(yīng)位置的亮度而成象號來調(diào)制一個

6、同步掃描的顯象管在相應(yīng)位置的亮度而成象的顯微鏡。的顯微鏡。l由于電子束的波長很短，理論上電鏡可以達(dá)到很由于電子束的波長很短，理論上電鏡可以達(dá)到很高的分辨率高的分辨率 ；l在光學(xué)顯微鏡中決定分辨率的是光的波長在光學(xué)顯微鏡中決定分辨率的是光的波長 ，象，象差不是主要原因；差不是主要原因；l在電子顯微鏡中，波長已經(jīng)不是決定性因素在電子顯微鏡中，波長已經(jīng)不是決定性因素 ； 而透鏡產(chǎn)生的象散和球差，電子波產(chǎn)生的色差而透鏡產(chǎn)生的象散和球差，電子波產(chǎn)生的色差和衍射差是主要因素和衍射差是主要因素 ；l1515世紀(jì)中葉：放大鏡（單式顯微鏡）世紀(jì)中葉：放大鏡（單式顯微鏡）l15901590年荷蘭年荷蘭Hans a

7、nd Zacharias JanssenHans and Zacharias Janssen：復(fù)式顯微：復(fù)式顯微鏡鏡l1717世紀(jì)中葉世紀(jì)中葉R. HookeR. Hooke：設(shè)計第一臺性能較好的顯微鏡：設(shè)計第一臺性能較好的顯微鏡lChristiaanChristiaan Huygens Huygens：惠更斯目鏡：惠更斯目鏡l1919世紀(jì)德國世紀(jì)德國Ernst AbbeErnst Abbe闡明光學(xué)顯微鏡成像原理，光闡明光學(xué)顯微鏡成像原理，光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)達(dá)學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)達(dá)0.20.2微米理論極限微米理論極限2.42.4光學(xué)顯微分析的發(fā)展光學(xué)顯微分析的發(fā)展光學(xué)顯微鏡的局限性光學(xué)顯微鏡的局限

8、性l一個世紀(jì)以來，人們一直用光學(xué)顯微鏡來揭示金屬材料的顯微組一個世紀(jì)以來，人們一直用光學(xué)顯微鏡來揭示金屬材料的顯微組織，借以弄清楚組織、成分、性能的內(nèi)在聯(lián)系。但光學(xué)顯微鏡的織，借以弄清楚組織、成分、性能的內(nèi)在聯(lián)系。但光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)有限，對諸如合金中的分辨本領(lǐng)有限，對諸如合金中的G.P G.P 區(qū)（幾十埃）無能為力區(qū)（幾十埃）無能為力。光學(xué)顯微鏡分類光學(xué)顯微鏡分類l幾何光學(xué)顯微鏡幾何光學(xué)顯微鏡 生物顯微鏡生物顯微鏡、落射光顯微鏡、倒置顯微鏡、金相顯微、落射光顯微鏡、倒置顯微鏡、金相顯微 鏡、暗視野顯微鏡等。鏡、暗視野顯微鏡等。l物理光學(xué)顯微鏡物理光學(xué)顯微鏡 相差顯微鏡、相差顯微鏡、偏光顯微

9、鏡偏光顯微鏡、干涉顯微鏡、相差偏振光顯、干涉顯微鏡、相差偏振光顯 微鏡、相差干涉顯微鏡、相差熒光顯微鏡等。微鏡、相差干涉顯微鏡、相差熒光顯微鏡等。l信息轉(zhuǎn)換顯微鏡信息轉(zhuǎn)換顯微鏡 熒光顯微鏡熒光顯微鏡、顯微分光光度計、圖像分析顯微鏡、聲學(xué)、顯微分光光度計、圖像分析顯微鏡、聲學(xué) 顯微鏡、照相顯微鏡、電視顯微鏡等。顯微鏡、照相顯微鏡、電視顯微鏡等。l特種光學(xué)顯微鏡特種光學(xué)顯微鏡 高溫顯微鏡、近場光學(xué)顯微鏡等。高溫顯微鏡、近場光學(xué)顯微鏡等。光學(xué)顯微鏡基本結(jié)構(gòu)光學(xué)顯微鏡基本結(jié)構(gòu)：1. 照明燈照明燈(Lamp)2. 聚光器聚光器(Condenser)3. 載物臺和切片夾載物臺和切片夾(Mechanical

10、 stage and specimen retainer)4. 推進(jìn)器推進(jìn)器(Mechanical stage adjustment knob)5. 物鏡物鏡(Objectives)6. 粗細(xì)螺旋粗細(xì)螺旋(Course and fine focus knob)7. 目鏡目鏡(Oculars)8. 照相機(jī)等接口照相機(jī)等接口(Connection to camera, etc.)2.5 2.5 顯微鏡的成像原理顯微鏡的成像原理yF1F2L1L2物鏡物鏡目鏡目鏡f1f2y25cm25tgyy顯微鏡的放大率：顯微鏡的放大率：1.1.顯微鏡的光路圖和放大率：顯微鏡的光路圖和放大率：222525/fyyy

11、fyM2.2.光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)光學(xué)儀器的圓孔衍射現(xiàn)象限制了光學(xué)儀器的圓孔衍射現(xiàn)象限制了光學(xué)系統(tǒng)分辨物體光學(xué)系統(tǒng)分辨物體細(xì)細(xì)節(jié)的能力。節(jié)的能力。分辨極限分辨極限: :光學(xué)系統(tǒng)能分辨開兩物點(diǎn)的最短距離。光學(xué)系統(tǒng)能分辨開兩物點(diǎn)的最短距離。分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng): :最短距離的倒數(shù)稱為光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。最短距離的倒數(shù)稱為光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。ABB物鏡物鏡兩物點(diǎn)兩物點(diǎn)A相應(yīng)兩象點(diǎn)相應(yīng)兩象點(diǎn)艾里斑艾里斑瑞利判據(jù)瑞利判據(jù)A1A2A1A2A1A2= =222ZD3.3.顯微鏡的分辨本領(lǐng)顯微鏡的分辨本領(lǐng)兩個物點(diǎn)（兩個物點(diǎn)（A1和和A2）剛能夠被分辨的條剛能夠被分辨的條件是：一個物點(diǎn)的件是：一個物

12、點(diǎn)的衍射亮斑的第一暗衍射亮斑的第一暗環(huán)正好與另一個物環(huán)正好與另一個物點(diǎn)的衍射亮斑中央點(diǎn)的衍射亮斑中央點(diǎn)重合。此時點(diǎn)重合。此時Z Z為為剛能分辨的最短距剛能分辨的最短距離（即顯微鏡的離（即顯微鏡的分分辨距離辨距離）。）。l 顯微鏡的分辨本領(lǐng)：顯微鏡的分辨本領(lǐng)：顯微鏡能分辨最短顯微鏡能分辨最短距離的能力用距離的能力用1/Z1/Z表示。表示。Z Z越小，越小，分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)越高。越高。根據(jù)瑞利判據(jù)，得顯微鏡的分辨距離：根據(jù)瑞利判據(jù)，得顯微鏡的分辨距離：ANnZ.61. 0sin61. 0物鏡的數(shù)值孔徑：物鏡的數(shù)值孔徑：sinnN.A 物鏡物鏡強(qiáng)度強(qiáng)度Z（推導(dǎo)略）（推導(dǎo)略）Z,Z,最小分辨距離最小分

13、辨距離;, ,波長波長; ;n n, ,透鏡周圍的折射率透鏡周圍的折射率;, ,透鏡對物點(diǎn)張角的一半透鏡對物點(diǎn)張角的一半; ;4.4.提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個途徑：提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個途徑：增大物鏡的數(shù)值孔徑增大物鏡的數(shù)值孔徑 N.A.（比如：采用油浸鏡頭）（比如：采用油浸鏡頭）蓋玻片蓋玻片n=1.52n=1干物鏡干物鏡物鏡物鏡(n=1.52)油浸物鏡油浸物鏡油油n=1.52標(biāo)本標(biāo)本ANnZ.61. 0sin61. 0l低倍鏡、高倍鏡以空氣為介質(zhì)，而油鏡需以香柏油或石蠟油為介質(zhì)。低倍鏡、高倍鏡以空氣為介質(zhì)，而油鏡需以香柏油或石蠟油為介質(zhì)。這樣就避免了由于油鏡鏡孔小，而使進(jìn)入物鏡的光線產(chǎn)生折

14、射，從這樣就避免了由于油鏡鏡孔小，而使進(jìn)入物鏡的光線產(chǎn)生折射，從而導(dǎo)致視野暗淡，物像不清現(xiàn)象的發(fā)生。而導(dǎo)致視野暗淡，物像不清現(xiàn)象的發(fā)生。4.4.提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個途徑：提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個途徑：減小照射光的波長減小照射光的波長（采用紫外線、電子射線）（采用紫外線、電子射線）ANnZ.61. 0sin61. 0l放大率即放大倍數(shù)，是光鏡性能的另一重要參數(shù)。放大率即放大倍數(shù)，是光鏡性能的另一重要參數(shù)。它主要有它主要有4 4、1010、4040和和100100四種，其中四種，其中4 4和和1010為低倍鏡，為低倍鏡，4040為高倍鏡，為高倍鏡，100100為油為油鏡。鏡。l鏡頭長度隨倍數(shù)的

15、增加依次增長，而在不同放大鏡頭長度隨倍數(shù)的增加依次增長，而在不同放大倍數(shù)的物鏡筒上還標(biāo)有不同顏色的環(huán)，以用于區(qū)倍數(shù)的物鏡筒上還標(biāo)有不同顏色的環(huán)，以用于區(qū)別。別。 l低倍鏡、高倍鏡以空氣為介質(zhì)，而油鏡需以香柏低倍鏡、高倍鏡以空氣為介質(zhì)，而油鏡需以香柏油或石蠟油為介質(zhì)。這樣就避免了由于油鏡鏡孔油或石蠟油為介質(zhì)。這樣就避免了由于油鏡鏡孔小，而使進(jìn)入物鏡的光線產(chǎn)生折射，從而導(dǎo)致視小，而使進(jìn)入物鏡的光線產(chǎn)生折射，從而導(dǎo)致視野暗淡，物像不清現(xiàn)象的發(fā)生。野暗淡，物像不清現(xiàn)象的發(fā)生。1.1.偏光顯微鏡的構(gòu)造偏光顯微鏡的構(gòu)造2.62.6偏光顯微鏡偏光顯微鏡l將普通光改變?yōu)閷⑵胀ü飧淖優(yōu)槠窆馄窆膺M(jìn)行進(jìn)行鏡檢鏡

16、檢的方法，以鑒別某一物質(zhì)的方法，以鑒別某一物質(zhì)是單折射（各向同性）或雙折射性（各向異性）。是單折射（各向同性）或雙折射性（各向異性）。l雙折射性是晶體的基本特征。因此，偏光顯微鏡被廣泛地雙折射性是晶體的基本特征。因此，偏光顯微鏡被廣泛地應(yīng)用應(yīng)用在礦物、化學(xué)等領(lǐng)域在礦物、化學(xué)等領(lǐng)域。在生物學(xué)中，很多結(jié)構(gòu)也具有。在生物學(xué)中，很多結(jié)構(gòu)也具有雙折射性，這就需要利用偏光顯微鏡加以區(qū)分。雙折射性，這就需要利用偏光顯微鏡加以區(qū)分。l在植物學(xué)方面在植物學(xué)方面，如鑒別纖維、染色體、紡錘絲、淀粉粒、，如鑒別纖維、染色體、紡錘絲、淀粉粒、細(xì)胞壁以及細(xì)胞質(zhì)與組織中是否含有晶體等。在植物病理細(xì)胞壁以及細(xì)胞質(zhì)與組織中是否

17、含有晶體等。在植物病理上，病菌的入侵，常引起組織內(nèi)化學(xué)性質(zhì)的改變，可以偏上，病菌的入侵，常引起組織內(nèi)化學(xué)性質(zhì)的改變，可以偏光顯微術(shù)進(jìn)行鑒別。光顯微術(shù)進(jìn)行鑒別。l在在人體及動物學(xué)方面人體及動物學(xué)方面，常利用偏光顯微術(shù)來鑒別骨骷、牙，常利用偏光顯微術(shù)來鑒別骨骷、牙齒、膽固醇、神經(jīng)纖維、腫瘤細(xì)胞、橫紋肌和毛發(fā)等。齒、膽固醇、神經(jīng)纖維、腫瘤細(xì)胞、橫紋肌和毛發(fā)等。 1 1、機(jī)械部分、機(jī)械部分q 鏡座：承受重力鏡座：承受重力q 鏡臂：裝鏡筒，可傾斜鏡臂：裝鏡筒，可傾斜q 載物臺：承載觀察物，可轉(zhuǎn)動，有載物臺：承載觀察物，可轉(zhuǎn)動，有0 0360360度刻度及游標(biāo)、固定螺絲，中央圓度刻度及游標(biāo)、固定螺絲，中央

18、圓孔，固定彈簧夾孔，固定彈簧夾 2 2、光學(xué)部分、光學(xué)部分q 反光鏡：有平、凹兩面，光線弱或用高反光鏡：有平、凹兩面，光線弱或用高倍物鏡時用凹面倍物鏡時用凹面q 下偏光鏡：將自然光轉(zhuǎn)變?yōu)槠庀缕忡R：將自然光轉(zhuǎn)變?yōu)槠鈗 鎖光圈：調(diào)節(jié)進(jìn)光量的大小鎖光圈：調(diào)節(jié)進(jìn)光量的大小q 聚光鏡：將平行光線變?yōu)殄F光聚光鏡：將平行光線變?yōu)殄F光q 鏡筒：可調(diào)節(jié)升降，上接目鏡，下接物鏡筒：可調(diào)節(jié)升降，上接目鏡，下接物鏡，鏡筒光學(xué)長度為物鏡后焦到目鏡前鏡，鏡筒光學(xué)長度為物鏡后焦到目鏡前焦焦q 目鏡目鏡q 上偏光鏡：方向上偏光鏡：方向AAAA，垂直下偏光鏡，垂直下偏光鏡q 勃氏鏡：觀察錐光時使用的放大系統(tǒng)勃氏鏡：觀察錐

19、光時使用的放大系統(tǒng)1.1.偏光顯微鏡的構(gòu)造偏光顯微鏡的構(gòu)造物鏡：物鏡：q 透鏡越小，鏡頭越長，放大倍數(shù)越大。透鏡越小，鏡頭越長，放大倍數(shù)越大。q 物鏡一般由物鏡一般由1 15 5片透鏡組成。片透鏡組成。q 放大倍數(shù)一般低倍放大倍數(shù)一般低倍4X4X，中倍，中倍10X-25X10X-25X，高倍，高倍45X45X以上，油浸以上，油浸100X100X。q 光孔角：前透鏡最邊緣的光線與前焦點(diǎn)所構(gòu)成的角度光孔角：前透鏡最邊緣的光線與前焦點(diǎn)所構(gòu)成的角度q 數(shù)值孔徑：等于光孔角正弦乘介質(zhì)折射率數(shù)值孔徑：等于光孔角正弦乘介質(zhì)折射率N N。數(shù)值孔徑越大，放大倍數(shù)。數(shù)值孔徑越大，放大倍數(shù)越高。同一放大倍數(shù)，數(shù)值孔

20、徑越大，分辨率越高越高。同一放大倍數(shù)，數(shù)值孔徑越大，分辨率越高q 物鏡的分辨率就是顯微鏡的分辨率，它取決于數(shù)值孔徑的大小及所用物鏡的分辨率就是顯微鏡的分辨率，它取決于數(shù)值孔徑的大小及所用光波的波長光波的波長q 光學(xué)顯微鏡最高分辨率為光學(xué)顯微鏡最高分辨率為20002000埃，最大放大倍數(shù)為埃，最大放大倍數(shù)為20002000倍。一組物鏡倍。一組物鏡占一臺顯微鏡總價值的五分之一到二分之一。占一臺顯微鏡總價值的五分之一到二分之一。1.1.偏光顯微鏡的構(gòu)造偏光顯微鏡的構(gòu)造二、偏光顯微鏡的調(diào)節(jié)與使用1 1裝卸鏡頭裝卸鏡頭q A A裝目鏡：直接插上即可裝目鏡：直接插上即可q B B裝物鏡：物鏡與鏡筒的接合類

21、型有彈簧夾型、銷釘型及轉(zhuǎn)盤裝物鏡：物鏡與鏡筒的接合類型有彈簧夾型、銷釘型及轉(zhuǎn)盤型。注意安裝到位型。注意安裝到位2 2調(diào)節(jié)視域亮度調(diào)節(jié)視域亮度q 鏡頭裝好以后，推出上偏光，勃氏鏡，打開鎖光圈，轉(zhuǎn)動反光鏡頭裝好以后，推出上偏光，勃氏鏡，打開鎖光圈，轉(zhuǎn)動反光鏡對準(zhǔn)光源，調(diào)節(jié)視域亮度。光線不要太強(qiáng)鏡對準(zhǔn)光源，調(diào)節(jié)視域亮度。光線不要太強(qiáng)3 3調(diào)節(jié)焦距調(diào)節(jié)焦距q A A放上薄片，手摸一下，一定要蓋玻片朝上，用彈簧夾夾好放上薄片，手摸一下，一定要蓋玻片朝上，用彈簧夾夾好q B B下降鏡筒。用粗調(diào)旋扭朝前旋轉(zhuǎn)，下降鏡筒。用粗調(diào)旋扭朝前旋轉(zhuǎn)，眼睛從側(cè)面注視鏡頭，將眼睛從側(cè)面注視鏡頭，將鏡頭下降到鏡頭工作距離以內(nèi)，切匆使鏡頭與薄片接觸，以免鏡頭下降到鏡頭工作距離以內(nèi)，切匆使鏡頭與薄片接觸，以免損壞鏡頭。損壞鏡頭。要鍛煉能兩個眼睛都睜開看。要鍛煉能兩個眼睛都睜開看。2.2.薄片制備薄片制備4校正中心q A A在視域內(nèi)選一小點(diǎn)置于十字絲中心在視域內(nèi)選一小點(diǎn)置于十字絲中心q B B轉(zhuǎn)動物臺轉(zhuǎn)動物臺180180度，注意觀察小點(diǎn)的位度，注意觀察小點(diǎn)的位置和軌跡置和軌跡q C C擰校正螺旋，使小點(diǎn)內(nèi)移到中心距擰校正螺旋，使小點(diǎn)內(nèi)移到中心距離的二分之一離的二分之一q D D手移薄片，使小點(diǎn)回中心。再旋物手移薄片，使小點(diǎn)回