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光学显微镜的发展史

作者:硬度计服务商创诚致佳
发布时间:2019-09-25

早在公元前1世纪,人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时,可以使其放 大成像,后来人们逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。


1590年荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器,放大倍率不超过 20倍。1610年前后,意大利的伽利略(Galileo)和德国的开普勒(J. Kepler)在研究望远 镜时,改变物镜和目镜之间的距离,得出合理的显微镜光路结构,提议复合式显微镜的制 作方式。1665年前后,英国物理学家罗伯特•虎克(Robert Hooke)在显微镜中加入粗动 和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台,这些部件经过不断改进,设计出了 第一台具有物镜放大倍率,可放大到140倍的显微镜,成为现代显微镜的基本组成部 分。

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19世纪高质量消色差浸液物镜的出现使显微镜观察微细结构的能力大为提高,1827 年阿米奇首次采用浸液物镜,19世纪70年代,德国人阿贝奠定了显微镜成像的理论基础。 这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展,并为19世纪后半叶包括科赫、巴 斯德等在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。图1-3为19世纪 Zeiss生产的生物显微镜。在显微镜结构发展的同时,显微观察技术也在不断创新,1893 年出现了偏光显微术和干涉显微术,1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术, 1952年诺马基斯(Nomarski)研制出微分干涉相衬显微镜。1981年Allen and Inoue (艾伦 及艾纽)将光学显微原理上的影像增强了对比,使显微图像成像发展趋于完美境界。


自1863年索比(Henry Clifton Sorby)首创采用反射式显微镜下观察金属材料微观形 貌的方法后,金相显微镜就成为研究金属内部组织结构的重要工具⑶。金相显微镜(met. allographic microscope)是用入射照明观察金属表面显微组织的光学仪器。随着实际生产和 人们对金属内部显微组织结构认识的需求,金相显微镜也在不断地发展和完善。自第一台 实用的金相显微镜问世以来已经历了近百年的发展历程,这也是材料科学与金相显微镜相 互促进发展的历程。世界著名的显微镜厂有四家:德系的ZEISS公司和LEICA公司,日系 的0LYMPUS(奥林巴斯)公司和NIKON(理光)公司。图1-4〜图1-6分别为ZEISS公司 在20世纪50~60年代生产的小型显微镜、立式金相显微镜和卧式金相显微镜。这些金相 显微镜在20世纪冶金、机械行业以及材料科学的研究中起到了很大的作用。随着科学技 术的不断进步,ZEISS公司在20世纪80年代生产出NEOPHOT21大型卧式金相显微镜 (见图1-7),不仅分辨率有所提高,功能上也有所改善,具有低倍摄影、明场、暗场、偏 光、相衬等功能,为金属材料的微观组织结构研究提供了更多的手段。

材料研究倒置式显微镜

我国在20世纪生产金相显微镜的厂家主要有上海光学仪器厂、江南光学仪器厂和重 庆光学仪器厂。图1-8为20世纪80年代上海光学仪器厂生产的小型金相显微镜,光源为 6~8V、15W的白炽灯,结构简单。图1-9为20世纪80年代江南光学仪器厂生产的卧式金相显微镜。


因光学玻璃的性能在很大程度上有了明显的改进,现代的显微镜在设计及性能上远远 超过了 20世纪中期的显微镜,其可更好的校正光学像差,人工合成的镀膜技术也已十分 先进。同时制造商们也开始在显微镜控制上釆用集成电路技术,普遍采用光电元件、电视 摄像管和光电耦合器等作为显微镜的接收器,计算机构成完整的图像信息采集和处理系 统——电脑图像显微成像系统。操作和摄影较早期容易,自动化程度更高,不仅能适应复 杂的工作任务,同时也极大地降低了使用者的工作强度。因此,现在的光学显微镜可用在 很多领域,已成为研究和检验金属材料组织的有效手段。显微镜的功能有暗场、明场、相 衬、偏光、干涉、紫外、荧光和体视(实体)。

金相显微镜

金相显微镜按照光路和被观察试样的抛光面的取向不同可分为正置式和倒置式两种基本类型⑹。

(1) 正置式金相显微镜:物镜在样品上方,由上向下观察试样。图1 -10为Olympus Provis AX70正置式研究型显微镜。这种显微镜代表了目前最先进的设计及工艺,它集合 了多种照明(落射及透射),多种观察方式(偏光、DIC、荧光及相衬)的能力。它的摄 影装置相当完善,可执行点测光,自动曝光控制,柔性的连续变倍,使取景更容易。Y形 的机架设计具备了很好的可操作性、稳定性。光、机、电控制的完美结合,使得操作起来 十分容易,是现代先进显微镜的代表。


(2) 倒置式金相显微镜:物镜在样品下方,由下向上观察试样。图1-11和图1-12 分别为LEICA公司生产的DMI 3000 M现代倒置式和DM4 M / DM6 M正置式现代多功能金 相显微镜。其中DM4 M/DM6 M正置式金相显微镜,实现了高模块化,具有6孔物镜转 盘、内置超相衬三维照明、LED用于所有照明模式、0.7x宏观物镜、先进暗场、新调焦、 可变反衬模式等。


目前,我国显微镜生产水平也达到了国际水平,图1T3和图1-14分别为舜宇公司目 前生产的IE 200 M小型金相显微镜(6V30W卤素灯或5W LED两种光源可选,调压器已 内置,直接接220V)和RX50M正置式多功能金相显微镜,随着计算机技术与数码技术 的发展,显微镜可通过摄像头将金相图片传输到计算机并进行储存打印。

虽然金相学是一门古老的学科,但随着计算机技术与数字图像技术的不断发展,给现 代金相显微镜发展开创了一个新世界,其将机械、光学、计算机技术和电子图像分析等领 域新技术的综合应用并优化组合,使金相显微镜操作更简单,精度更高,图像更完美。


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