上海交通大学：《材料组织结构表征》课程教学资源（课件讲义）12. 光学显微镜-光学基础1

上游充通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 1896 1920 1987 2006 材料组织结构的表征 SHANGH 赵冰冰 材料科学与工程学院 A2019年 G

1896 1920 1987 2006 材料组织结构的表征 赵冰冰 材料科学与工程学院 2019年

光学显微镜光学基础 眼见为实 Seeing is believing 100pm 2

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 1896 1935 1987 2006 光学显微镜光学基础 2 眼见为实 Seeing is believing

光波 Frequency in Wavelength cycles per second in nm 106- nm 400 1020- Gamma rays Violet One angstrom 10 450 Indigo One nanometer Blue X-rays 500- Ultravioler Green 1015 One micrometer Visible Light Yellow 10 600- Infrared Orange One centimeter Red 1010- Short radio waves One meter Short radio waves 109 750- Broadcast band One kilometer 105 Visible Light: 1~6000A 10 Long radio waves X-rays: λ0.5-2.5A Electrons: λ~0.05A 材料科学与工程学院 3 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 光波 3

C© 光波与物质的作用 Optical Imaging 3 Energy-Loss Processes Spectra (real space) (energy absorbtion) Elastic Inelastic Scattering Scattering Diffraction 4 Secondary Spectra Signals (reciprocal space) (excitation processes) 1.Signal can be focused-real space image 3.Energy loss spectra (e.g.,OM,SEM,TEM) (due to absorption of incident radiation) 2.Scattering angles can be collected and 4.Secondary signals such as x-rays or analyzed in reciprocal space secondary electrons (e.g.,XRD or SAD) (due to excitation ofelectrons in material) (Figure from D.Brandon and W.Kaplan,Microstructural Characterization of Materials,2d Edition,Wiley(2008)p.6) 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 光波与物质的作用 4

⑧ XRD Vs OM XRD Optical microscope (OM) ·结构的信息 ·形貌的信息 晶体结构（相） -正空间(real space) 晶格常数 。 检查材料微观组织结构的 应力应变 最常用、最基础的手段 -倒易空间(reciprocal space) ·应用 形态的信息 一材料生产制造中的质量控制 一透视 一材料使用中失效原因分析 一探伤 一建立材料结构-性能关系 材料科学与工程学院 5 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering XRD vs OM XRD • 结构的信息 – 晶体结构(相) – 晶格常数 – 应力/应变 – 倒易空间(reciprocal space) • 形态的信息 – 透视 – 探伤 Optical microscope (OM) • 形貌的信息 – 正空间(real space) • 检查材料微观组织结构的 最常用、最基础的手段 • 应用 – 材料生产制造中的质量控制 – 材料使用中失效原因分析 – 建立材料结构-性能关系 5

图 光学基础 透镜成像与分辨率 显微镜光学系统 物镜的构造与技术（数值孔径、像差） . CCD/CMOS电子影像系统 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 光学基础 • 透镜成像与分辨率 • 显微镜光学系统 • 物镜的构造与技术（数值孔径、像差） • CCD/CMOS电子影像系统

图 折射(refraction) ·折射率(refractive index) Incident wave Reflected wave ●Vacuum 1 Refractive index n,=1 Air 1.0003 Speed =c 。Water 1.333 。Cytoplasm 1.35-1.38？ Refractive index na ●Glycerol 1.475 (anhydrous) Speed =c/n Refracted wave ●Immersion oil 1.515 1/n ●Fused silica 1.46 →snel'slaw: Mirror law: Optical glasses 1.5-1.9 n Sin()=n2 Sin(02) ●Diamond 2.417 Depends on wavelength and temperature 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 折射(refraction) • 折射率(refractive index） 7

光的可视性 ·人眼可以觉察可见光的强度和颜色的差异， 看不到它的相位和偏振态的差异。 Reference wave 颜色 强度 Amplitude Reduced object amplitude Phase Retarded object phase Left Handed Circuarty Polarized Light 相位 Linearty Polarized Light Unpolarized Light 偏振态 Quarter Wave Plate http://en.wikipedia.org/wiki/Polarizer Linear Polariz 材料科学与工程学院 8 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 光的可视性 • 人眼可以觉察可见光的强度和颜色的差异， 看不到它的相位和偏振态的差异。 8 强度 相位 偏振态 颜色

© 光学成像原理 Objective Lens” Focal length “Object Plane” “Image Plane” -u Magnified Light Object is placed image win 1 and 2fof Source the objective lens 1st image 1.11 and M=Y-I_v 焦距越短，放大倍数越大，而透镜直径又越小 材料科学与工程学院 9 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 光学成像原理 9 焦距越短,放大倍数越大,而透镜直径又越小

图 十七世纪单显微镜的发展 > 十七世纪的单显微镜与其说是科学仪器，不如说是艺术品。似 乎那时的显微镜制造者所追求的并不是高的性能，而是视觉上 的享受 Dutch Simple Brass Microscope (circa late 1600s) 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering  十七世纪的单显微镜与其说是科学仪器，不如说是艺术品。似 乎那时的显微镜制造者所追求的并不是高的性能,而是视觉上 的享受. 十七世纪单显微镜的发展