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光学显微镜与计算机
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发布日期：2011-05-23 |
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电脑型金相显微镜系统是将传统的光学显微镜与计算机
金相显微镜（数码相机）通过光电转换有机的结合在一起，不仅可以在目镜上作显微观察，还能在计算机（数码相机）显示屏幕上观察实时动态图像，电脑型金相显微镜并能将所需要的图片进行编辑、保存和打印。
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技术参数
1． 目镜 类型 放大倍数 焦距（mm） 视场（mm）
大视野目镜 10X 25 Φ18
目镜倍数:10x /16x/20x(可选)
2． 物镜 物镜类型 放大倍数 数值孔径 工作距离（mm）
平场消色差物镜（无盖玻片） 5X 0.12 18.3
10X 0.25 8.9
40X 0.60 3.7
60X 0.85 0.26
80x 0.9 0.18
3.光学放大倍数：50X 100X 400X 600X1000X
4.系统参考放大倍数：50X-2600X
5.照明系统
落射照明：6V/20W卤素灯，亮度可调；220V（50Hz）
透射照明：6V/20W卤素灯，亮度可调；220V（50Hz）
6.载物台：大小 185mm*142mm
移动范围 75mm*50mm
7.调焦系统：带限位和调节松紧装置的同轴粗微动，
微动格值 0.001mm
8.瞳距调节范围：53-75mm
9.滤色片组：转盘式，黄色、蓝色、绿色、磨砂玻璃
10.偏光装置：可插入式起偏振片和三目头内置检偏振片
11.防霉：特有的防霉系统
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系统组成
电脑型金相显微镜（GSM-C289A）：1、金相显微镜 2、适配镜 3、摄像器(CCD) 4、A/D(图像采集) 5、计算机
数码相机型金相显微镜（GSM-C289A）：1、金相显微镜 2、适配镜 3、数码相机
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仪器的选购件
1.金相图像测量软件COMPANY 2.金相分析软件SEVENOCEAN
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用途
GSM-C289A系列透反射金相显微镜适宜于微小和不方便倒置的试样，及需要寻找特定范围目标试样的观察研究和分析。透反射金相显微镜配有落射照明器（同轴反射）和透射照明器，不仅可以鉴别和分析各种金属、合金材料、非金属物质的组织结构及集成电路、微颗粒、线材、纤维、表面喷涂等的一些表面状况，透反射金相显微镜还可以广泛地应用于电子、化工和仪器仪表行业观察不透明的物质和透明的物质。如金属、陶瓷、集成电路、电子芯片、印刷电路板、液晶板、薄膜、粉末、碳粉、线材、纤维、镀涂层以及其它非金属材料等。
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仪器主体分解说明
GSM-C289A配有带屈光补偿的棱镜型双目镜筒。能调节左右目镜的屈光度。这种设计使得在调节瞳距时，物镜的齐焦面保持不变，即使更换不同倍率的物镜，也只需做最少量的调焦。目镜圈由橡皮制成，以便更舒适的观察。 高质量的四孔转换器内部设有机械定位。此设计使旋转更平滑，也增强了耐用性。同时，转换器周圈带有突楞，使得旋转更加方便，无需触及物镜。
双目镜筒 四孔转换器
X、Y轴平行移动，X轴50mm,Y轴70mm,高精度的平移设计确保观察式样水平移动，移动精度0.1mm。 聚光器使用简单，为了使操作更加简单快捷，聚光器孔径阑大小的标记位是按对应物镜的倍率进行刻度标记的，同时确保完好像质。
载物台调动手轮 聚光器
同轴粗微调焦手轮位置在载物台后边下方，而且他和载物台移动手柄的位置接近，因此操作者无需扭曲肩膀，可保持自然的姿势进行操作。 多功能三目头设计，使得三目头既可接彩色摄像器，也可接数码相机，使传统的人眼观察同时还可以电脑观察或者数码相机拍照。
同轴粗微调焦手轮 三目头
此牢固安装在主机上的机械载物台是内置式双层机构，可在XY方向进行平滑移动。由于这种机构是内置式设计，而不是附加而不是附加的，因而X向导轨不会突出载物台台面，这种设计增大了载 物台上方的空间，使对标本操作变得更方便、快捷，同时，载物台在X轴的移动也更加平滑和精密。载物台表面光滑，使载玻片能够更平滑、自如地移动。
双层机构机械载物台
金相显微镜主要用于鉴定和分析金属内部结构组织，它是金属学研究金相的重要仪器，是工业部门鉴定产品质量的关键设备，该仪器配用摄像装置，可摄取金相图谱，并对图谱进行测量分析，对图象进行编辑、输出、存储、管理等功能。
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金相显微镜组成
金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品，可以在计算机上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析，评级等以及对图片进行输出、打印。 众所周知，合金的成分、热处理工艺、冷热加工工艺直接影响金属材料的内部组织、结构的变化，从而使机件的机械性能发生变化。因此用金相显微镜来观察检验分析金属内部的组织结构是工业生产中的一种重要手段 。
金相显微镜主要由光学系统、照明系统、机械系统、附件装置(包括摄影或其它如显微硬度等装置)组成。
根据金属样品表面上不同组织组成物的光反射特征，用显微镜在可见光范围内对这些组织组成物进行光学研究并定性和定量描述。它可显示500～0.2m尺度内的金属组织特征。早在1841年，俄国人(п．п．Ансов) 就在放大镜下研究了大马士革钢剑上的花纹。至1863年,英国人(H.C.Sorby)把岩相学的方法，包括试样的制备、抛光和腐刻等技术移植到钢铁研究，发展了金相技术，后来还拍出一批低放大倍数的和其他组织的金相照片。索比和他的同代人德国人(A.Martens)及法国人(F. Osmond)的科学实践，为现代光学金相显微术奠定了基础。至20世纪初，光学金相显微术日臻完善，并普遍推广使用于金属和合金的微观分析，迄今仍然是金属学领域中的一项基本技术。
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分类
金相显微镜 是用可见光作为照明源的一种显微镜。分立式和卧式,见图1[光学显微镜 a 立式显微镜 b 卧式显微镜]。它们都包括光学放大、照明和机械三个系统。
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工作原理
放大系统 是影响显微镜用途和质量的关键。主要由物镜和目镜组成。其光路见图2 [金相显微镜光路图]。
金相显微镜显微镜的放大率为：
M显=L/f物×250/f目=M显×M目 式中[m1] M显——表示显微镜放大率；[m2] M物、[m3]M目 和[f2]f物、[f1]f目 分别表示物镜和目镜的放大率和焦距；L为光学镜筒长度；250为明视距离。长度单位皆为mm。
分辨率和象差 透镜的分辨率和象差缺陷的校正程度是衡量显微镜质量的重要标志。在金相技术中分辨率指的是物镜对目的物的最小分辨距离。由于光的衍射现象，物镜的最小分辨距离是有限的。德国人阿贝(Abb)对最小分辨距离()提出了以下公式
d=λ/2nsinφ式中[kg2][kg2]为光源波长； n为样品和物镜间介质的折射系数（空气;=1；松节油：=1.5）；φ为物镜的孔径角之半。
从上式可知，分辨率随着和的增加而提高。由于可见光的波长[kg2][kg2]在4000～7000之间。在[kg2][kg2]角接近于90的最有利的情况下，分辨距离也不会比[kg2]0.2m[kg2]更高。因此，小于[kg2]0.2m[kg2]的显微组织，必须借助于电子显微镜来观察（见）,而尺度介于[kg2]0.2～500m[kg2]之间的组织形貌、分布、晶粒度的变化，以及滑移带的厚度和间隔等，都可以用光学显微镜观察。这对于分析合金性能、了解冶金过程、进行冶金产品质量控制及零部件失效分析等，都有重要作用。
象差的校正程度，也是影响成象质量的重要因素。在低倍情况下，象差主要通过物镜进行校正，在高倍情况下，则需要目镜和物镜配合校正。透镜的象差主要有七种，其中对单色光的五种是球面象差、彗星象差、象散性、象场弯曲和畸变。对复色光有纵向色差和横向色差两种。早期的显微镜主要着眼于色差和部分球面象差的校正，根据校正的程度而有消色差和复消色差物镜。近期的金相显微镜，对象场弯曲和畸变等象差，也给予了足够的重视。物镜和目镜经过这些象差校正后，不仅图象清晰，并可在较大的范围内保持其平面性，这对金相显微照相尤为重要。因而现已广泛采用平场消色差物镜、平场复消色差物镜以及广视场目镜等。上述象差校正程度，都分别以镜头类型的形式标志在物镜和目镜上。
光源 最早的金相显微镜，采用一般的白炽灯泡照明，以后为了提高亮度及照明效果，出现了低压钨丝灯、碳弧灯、氙灯、卤素灯、水银灯等。有些特殊性能的显微镜需要单色光源，钠光灯、铊灯能发出单色光。
照明方式 金相显微镜与生物显微镜不同，它不是用透射光,而是采用反射光成像,因而必须有一套特殊的附加照明系统，也就是垂直照明装置。1872年兰(V.vonLang)创造出这种装置,并制成了台金相显微镜。原始的金相显微镜只有明场照明，以后发展用斜光照明以提高某些组织的衬度。
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日常维护、保养及注意事项
为保证系统的使用寿命及可靠性，注意以下事项：
1.试验室应具备三防条件：防震(远离震源)、防潮(使用空调、干燥器)、防尘(地面铺上地板)；电源：220V+-10%,50HZ温度：0度-40度.
2.调焦时注意不要使物镜碰到试样，以免划伤物镜。
3.当载物台垫片圆孔中心的位置远离物镜中心位置时不要切换物镜，以免划伤物镜。
4.亮度调整切忌忽大忽小，也不要过亮，影响灯泡的使用寿命，同时也有损视力。
5.所有(功能)切换，动作要轻，要到位。
6.关机时要将亮度调到最小。
7.非专业人员不要调整照明系统(灯丝位置灯)，以免影响成像质量。
8.更换卤素灯时要注意高温，以免灼伤；注意不要用手直接接触卤素灯的玻璃体。
9.关机不使用时，将物镜通过调焦机构调整到状态。
10.关机不使用时，不要立即该盖防尘罩，待冷却后再盖，注意防火。
11.不经常使用的光学部件放置于干燥皿内。
12.非专业人员不要尝试擦物镜及其它光学部件。目镜可以用脱脂棉签蘸1:1比例(无水酒精：乙醚)混合液体甩干后擦拭，不要用其他液体，以免损伤目镜。
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金相显微镜电子目镜
简介
金相显微镜电子目镜是一种针对金相显微镜成像专门研制而成的光学电子仪器。该系列金相显微镜电子目镜作为一款新型光电装置，传输接口为USB2.0高速接口，金相显微镜电子目镜采用1/2″CMOS大面阵图像传感器及大口径光学镜头，使获取的图像具有极高的清晰度；单幅照相影像更佳。分辨率可达130－300万像素，并可以方便地应用于任何标准生物显微镜、体视显微镜及望远镜中。从而给观察、教学、科研、临床、家庭带来了极大的快捷和便利。
金相显微镜电子目镜是一种针对普通光学显微镜通用目镜筒而开发的一种能替代人眼观察视野，将镜下图像真实反映在电子图像显示及输出设备上的光电设备，从而实现了图像时时共享，资料数字化、电子存档化。
金相显微镜电子目镜采用高分辨率图像传感器、光学部分由国家光学重点实验室设计，性能优异、体积小巧，更适合教师教学和装备数字化实验室。
主要功能特点
1、安装简单，即插即用，计算机端采用USB2.0接口插拔方便。
金相显微镜2、操作简单。操作软件兼容性强，界面简洁。可自由调整曝光帧速率、对比度、亮度、锐度及影像尺寸等。拍摄软件有着优异的人机界面，使用者可轻易在计算机上进行摄像、摄影操作。
3、共享性强，可随时对图像进行编辑、处理、保存、传输数据等。金相显微镜电子目镜可配合投影机组成一个电子多媒体教学、演示系统，提高设备利用率、共享性，促进相互交流。
性能参数
型号 AFT-DC130AFT-DC200AFT-DC300AFT-DC500
分辨率 1280×10241600×12002048×15362592×1944
像素尺寸 5.2um×5.2um4.2um×4.2um3.2um×3.2um2.2um×2.2um
传感器类型 Progress scan CMOS
光学尺寸 1/2"1/3"1/2"1/2"
帧率 10fps@1280×1024
25fps@640×4808fps@1600×1200
10fps@1280×1024
25fps@640×4805fps@2048×1536
10fps@1280×1024
25fps@640×4803fps@2048×1536
25fps@800×600
30fps@640×480
清晰度 750线 850线 900线 1500线
信噪比 >45dB>42dB>42dB>42dB
动态范围 60dB60dB60dB60dB
敏感度 1.8V@550nm/lux/S1.2V@550nm/lux/S1.0V@550nm/lux/S自动白平衡/手动白平衡可选
曝光方式 ERSERSERS + Snapshot自动/手动曝光可选
输出方式 USB 2.0
数据传输距离 3-5米(加中继可达20米)
可编程控制 图像尺寸、亮度、增益、帧率、曝光时间
功耗 供电要求 <2.25W 5V
应用领域
金相显微镜电子目镜适用于任何标准的生物、体视、金相显微镜的拍摄，可以广泛的应用于医疗卫生机构、实验室、研究所、高等学校做生物学、病理学、细菌学观察、教学和研究、临床实验和常规医疗检验；工厂、实验室对材料的分析和鉴定。
金相显微镜由于易于操作、视场较大、价格相对低廉,直到现在仍然是常规检验和研究工作中最常使用的仪器.
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金相显微镜的改进
近年来金相显微镜的改进主要有以下几点:
普遍采用无限远光学系统
物镜按照无限远象距进行设计而不是象常规物镜那样按照有限象距进行设计,这种光学系统称为无限远色差和象差校正的光学系统或简称无限远光学系统.使用这种光学系统时,当入射光从试样表面反射再次进入物镜后,并不收敛而是保持为平行光束,直到通过镜筒透镜后才收敛并形成中间象,即一次放大实象,然后才供目镜再次放大.无限远光学系统的优点是显微镜中的各种光学附件(如暗视场光束分离器、偏振光分离器、用于微差干涉衬度)的棱镜、检偏振镜,以及其它附加滤色镜等)都可以放置在物镜凸缘与镜简透镜之间平行光束的空间,由于成象光束没有受到上述光学附件的干扰,物象的质量不会受到损害,从而简化了物镜设计中色差和象差的校正.此外,在无限远光学系统中,镜筒长度系数保持为一,无论物镜与目镜之间的距离有多远,也不需要一个固定的中转透镜系统.目前,德国的公司和公司、日本的公司和olympus公司生产的金相显微镜均已先后采用无限远光学系统设计.
同焦面性设计
在新型显微镜中,更换物镜及目镜后不须重新调焦,一般只需略微调节微调旋钮,就可以使物象准确聚焦.为此,物镜和目镜的光学机械尺寸应满足同焦面性的要求,即:①所有物镜的共轭距离(即从试样表面到物镜初次放大实象象面之间的距离)相等:②所有物镜初次放大实象到目镜镜筒口的距离不变;③所有目镜的焦面与物镜初次放大实象的象面重合.同焦面性并不是物镜或目镜的一个固有特性,而是在新型显微镜的设计中为了便于使用者的操作而采取的一种措施.
对显微镜有效放大倍数的再认识
显微镜的有效放大倍数(M)与物镜数值孔径(NA)的关系可以表示为:550NA＜M＜1100NA>,长期以来,显微镜使用者一直遵循这一关系式.但是,VanderVoort在其所著《金相学——原理与实践》一书中指出,上式是在用理想的眼睛观察具有理想反差物象的条件下推导出的,因此不要当做教条来遵循.实际上,分辨率不仅与物镜的分辨率有关,而且还与物象的反差有关.此外,照明条件、放大倍数、物镜质量,以及观察条件都会影响物象的反差,因而也会影响分辨率.他指出,为了获得分辨率,有效放大倍数应当是条件下的4倍左右,即M≈2200NA;同时,使用4000×或更高放大倍数的显微照片也是完全合理的.
平场消色差物镜
现今新型显微镜已经普遍使用平场消色差物镜,甚至还可以配置更的平场复消色差物镜.老式物镜初次放大实象的直径只有18mm～20mm,而平场消色差物镜则规定高度校正的初次放大平面象的直径为28mm,即象场面积增大了一倍,并使象场弯曲得到了很好的校正.
高倍干物镜
为了便于观察高倍显微组织,现今显微镜一般均备有高倍干物镜.例如nikon公司生产的EPIPHOT300型金相显微镜(图1)配置有放大100×、150×、200×的CFPlanApoEPI型干物镜,其NA值均为0.95.尽管干物镜的分辨率明显低于油浸物镜(100×油浸物镜的NA值一般可达1.40),但由于简化了操作并使试样免于被油污染,现今已获得更为广泛的使用.近年来,olympus公司生产的GX系列显微镜甚至还配置有更高倍数(250×)的干物镜,尽管其NA值只有0.90,但是用它来进行观察或拍照,已经很容易使其放大倍数远超过传统上使用的数值(1100NA),这进一步证实了以上第1.3小节介绍的观点是正确的.图2为olympus公司生产的GX71型金相显微镜.图1nikonEPIPHOT300型金相显微镜
广视场目镜
广视场目镜的结构特点是场光阑显著增大,一般为22mm～26.5mm(老式目镜的场光阑直径只有16mm),充分利用了平场物镜扩大了的象场面积.
此外,有的显微镜还配置有高眼点目镜,使眼睛有缺陷(如散光)的人可以戴着眼镜进行观察,物象的质量可以免受眼睛缺陷的影响.由于平场消色差物镜和广视场目镜的推广使用,使显微组织观察的视域扩大了许多,这也相应提高了对显微镜载物台加工精度和试样制备质量的要求.
长工作距离物镜
有些显微镜生产厂商还推出一些工作距离较长的物镜,这是为了适应生产检验或特殊需要(例如高温台)而设计的.通常情况下,物镜的放大倍数越高,工作距离(即物象聚焦时,物镜接物透镜与试样之间的距离)越短,为了避免物镜因工作中不慎触及试样或受热而损坏,于是就设计了这种特殊物镜.例如nikonEPIPHOT300型金相显微镜的物镜系列中就有50×和100×两个工作距离分别为8.7mm和2.0mm的长工作距离物镜,其NA值分别为0.55和0.8;又如olympusGX系列显微镜也可配50×和100×工作距离分别为10.6mm和3.4mm的长工作距离物镜,其NA值分别为0.55和0.8,而50×和100×普通物镜的工作距离则分别只有0.54mm和0.3mm,但是其NA值则分别为0.8和0.95.可以看出,长工作距离物镜的数值孔径即分辨率有所下降,不过成像质量仍然不错.
多功能紧凑设计
在人们的印象中,只有大型卧式显微镜才是功能齐全的设备.但是,现今生产的显微镜(包括研究型)基本上都采用紧凑的台式设计并使用先进的平场消色差物镜或平场复消色差物镜以及广视场目镜.有的显微镜还配有电动控制的物镜回转头,只需按下按钮,所需的物镜就会自动旋入光程,孔径光阑和视场光阑的大小也能随着物镜的更换自动进行调整.照明方式则有明视场、暗视场、偏振光、微差干涉衬度(DIC)等四种最常用的照明方式,而且照明方式的变换也极为简便.此外,观察到的物象也是正置而不是反置,使物象的移动方向与载物台的移动方向一致,大大便利了操作.图1所示的台式显微镜具有低载物台设计,载物台的万向节操纵手柄使载物台能非常方便地沿x轴和y轴方向来回移动.当照明方式在明视场与暗视场之间变换时,孔径光阑的调整由内置的连动装置自动完成.有40种以上放大倍数从1.5×到200×的物镜可供选用,无限远光学系统的每一个光学元件都单独地进行了色差校正,从而保证获得清晰的物象.各种测量标尺均放置在初次放大实象位置,因此,始终保持聚焦,不受试样表面形貌的影响.2.5×连续变倍装置(从0.8×到2.0×,物象始终保持清晰)可用于观察和显微照相,当旋钮调到1.0×,1.25×,1.5×处时,还可以听到喀哒停顿声.图2所示的显微镜是一种先进的研究型显微镜,1×～2×连续变倍装置不仅可用于观察,而且可用于所有的接口.图3为Carlzeiss公司生产的Axiovert40MAT型倒置式金相显微镜,适用于繁忙的材料实验室的质量检验、材料分析、金属加工工艺分析、材料研制等项工作,以及玻璃和塑料工业、研究机构和学校教学使用.该显微镜坚固的载物台可以放置比较重的大零件,并备有长工作距离物镜. Carlzeiss公司生产的Axiovert200MAT型倒置式金相显微镜,这是一种专业型高端产品,显微镜镜体可以在手工操作和电动机驱动两类中挑选.如果选用后者,则物镜的更换和调焦、载物台移动等操作均可通过相应的按钮迅速完成.根据无限远光学系统设计的物镜可使物象具有优异的反差;具有高数值孔径的长工作距离物镜,既便于操作,又能获得高分辨率组织.该显微镜还利用新研制的"全干涉衬度"(TIC)光学方法测量显微组织中的阶状高度,其精度可达20nm;还有将圆偏振光代替传统的线偏振光用于DIC,即"圆DIC"(C-DIC)技术,使原来只能在一定取向才能看到的组织变为可以看到其全貌而与取向无关并与载物台的转动位置无关. 显微照相和图象分析走进了数字化时代 显微镜的内置照相装置或外置照相附件既可以使用35mm胶卷,也可以使用大尺寸胶片或一次成象感光器材,不过35mm胶卷更为经济和便捷,从而获得更加广泛的使用.近年来,数字成象系统也逐渐用于显微照相,它可以很容易地将数字化的图象储存在计算机内,也可以随时将其打印成照片或通过电子邮件传递,免除了暗室操作. 有了图象分析软件,还可以将数字化图象经过图象处理后,按照国家标准进行定量分析,如晶粒度测定、镀层或涂层厚度测定、孔隙度测定等.随着计算机技术的进步和软件的完善,图象分析也会越来越方便、迅速、.利用图象处理软件,还可以将多个相邻视场的数字化图象拼接成一整幅视场宽广的清晰图象,而且几乎看不出接缝的痕迹,对于一个高水平的操作系统,这一操作可以在数秒钟内完成. 但是,随着数字化图象应用的迅速普及,也带来一个令人忧虑的问题,这就是显微组织照片的"作假"问题.利用图象处理软件对金相组织进行"修理"、甚至"移花接木"已经不是一件难事,但是这样做却完全违背了"金相组织应当能如实反映试样真实组织"的重要原则,弄不好还可能造成严重的事故,这一忧虑应当不是"耸人听闻".
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