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金相显微镜的光学原理

2024-04-25(990)次浏览

  金相显微镜是用于观察金属内部组织结构的重要光学仪器。所有光学仪器都是基于光线在均...

金相显微镜是用于观察金属内部组织结构的重要光学仪器。所有光学仪器都是基于光线在均匀的介质中作直线的传播,并在两种不同介质的分界面上发生折射或反射等现象构成的。研究这些现象的理论称为几何光学。随着几何光学及物理光学的发展,金相显微镜已日臻完善。为了能正确地使用各种现代的金相显微镜,本节将介绍与普通光学显微镜有关的几何光学基本原理。


一、几何光学的基本原理

(一)几何光学基本定律

几何光学的理论基础,就是由实际观察和直接实验得到的几个基本定律;光的直线传播定律;光的独立传播定律及光的反射和折射定律。在所研究的对象中,若其几何的尺寸远远大于所用光波的波长(如对有一定大小的透镜或面镜研究由它们成象的物距和像距等),则由几何光学可以获得与实际基本相符的结果。


几何光学基本定律的要点表述如下:

(1)光的直线传播定律:在均匀介质中,光沿直线传播。即在均匀介质中,光线为一直线。

(2)光的独立传播定律:自不同方向或由不同物体发出的光线的相交,对每一光线的独立传播不发生影响。

(3)光的反射和折射定律:当光线由一介质进入另一介质时,光线在两个介质的分界面上被分为反射光线和折射光线。对于这两条光线的行进方向,可分别由反射定律和折射定律来表述。


(二)光的全反射

当光线射到两种媒介的界面上时,反射和折射现象是同时产生的。反射光和折射光的强弱随入射角而异。如图2所示,在实发光点s所处介质的折射率大于分界面另一侧介质的折射率(n>n')时,折射角i总大于入射角i;当i'=90°,相应的入射角i是给定情况下的更大入射角,入射角超过i的光线,都不能进入分界面的另一侧,而按照反射定律返回原介质,这种完全返回原介质的反射称为全反射,或全内反射。

(三)光的折射、反射及全反射在光学金相显微镜中的应用

在光学仪器中,为了工作方便常常需要改变光束的方向和行程,利用折射、反射及全反射原理设计的各类光学元件,能够圆满地完成这一任务。其在光学显微镜中的应用例举如下:

(1)金相显微镜中光源集光镜的曲面反射、光线转向的平面反射镜及球面反射镜都是利用光的反射定律而设计的光学元件。

如平面反射镜可以借助抛光金属表面、镀银的玻璃镜面及平面玻璃等来完成。镀银镜面反射常用于改变光线方向,但使用日久因表面氧化或剥蚀而减弱反射能力;平面玻璃反射镜用作垂直照明器,因光线损失较多,一般别无它用。

反射定律与可见光线的波长无关,故根据反射所设计的物镜没有色象差等缺陷。

(2)借助光在棱镜中的全反射来改变光的进行方向,这在许多方面都较平面反射镜优越。首先,因为全反射时光能够完全反射回原介质,而采用镀介质膜的平面镜反射时,在反射表面上将有一定的光能被吸收;其次,在研磨工艺和装校技术上棱镜具有容易制成多种多样组合的反射面和满足高精度要求的特点,故在近代金相显微镜中除以半透半反的平面镜作垂直照明器外,均以全反射棱镜来改变光线行程。常用的反射镜如图3所示,(a)(b)可使光线转向 90°,在显微镜中用作改变光路:(c)用于斜管目镜筒中使光线转向;(d)用于双筒目镜反射;(e)用于照相机或瞄准镜的调焦光路中,使光路改变90°,像的左右与物的左右互换。


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