上海交通大学：《材料组织结构表征》课程教学资源（课件讲义）13. 光学显微镜1-光学基础

一、光学显微镜光学基础 眼见为实 Seeing is believing 100μm 1

一、光学显微镜光学基础 1 眼见为实 Seeing is believing

Frequency in Wavelength cycles per second in nm 106- m 400- 1020- Gamma rays Violet One angstrom 10 450 Indigo One nanometer Blue X-rays 500- Ultravioler Green 105 One micrometer Visible Light Yellow 10 Infrared 6003 Orange 子 One centimeter 00 Red 1010- Short radio waves One meter Short radio waves 109 750 手机 Broadcast band One kilometer 105 Visible Light:~6000 A 10 Long radio waves X-rays: λ0.5-2.5A Electrons: λ~0.05A

2 手机

Optical Imaging 3 Energy-Loss Processes Spectra (real space) (energy absorbtion) Elastic Inelastic Scattering Scattering 2 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,2n Edition,Wiley (2008)p.6) 3

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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

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 4

一、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

一、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

折射(refraction) ·折射率(refractive Incident wave Reflected index wave ●Vacuum 1 Refractive index n,=1 .Air 1.0003 Speed =c ●Vater 1.333 ●Cytoplasm 1.35-1.38? Refractive index na Speed =c/n ● Glycerol 1.475 (anhydrous) 02 Refracted wave 1/n ●Immersion oil 1.515 →snel'slaw: 1.46 Mirror law: Fused silica n Sin()=n2 Sin(02) Optical glasses 1.5-1.9 Diamond 2.417 Depends on wavelength and temperature 6

折射(refraction) • 折射率(refractive index 6

色散(dispersion) ·不同波长光线的折射率n不同 →频率 http://gallery.hd.org/c/natural-science/prism-and- refraction-of-light-into-rainbow-AJHD.jpg.html 7

色散 (dispersion) • 不同波长光线的折射率n不同 7 频率

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 f and M=Y-f-Y u V 焦距越短，放大倍数越大，而透镜直径又越小 8

光学成像原理 焦距越短,放大倍数越大,而透镜直径又越小 8

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)

 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

单式显微镜的顶峰---列文虎克的显微镜。 Leeuwenhoek Microscope (circa late 1600s) 列文虎克[Antoni van Leeuwenhoek](1632-1723)荷兰 代尔夫特人，微生物学的先驱，一生磨制了550个透 镜，装配了247架显微镜，至今保留下来的有9架

列文虎克[Antonivan Leeuwenhoek](1632-1723)荷兰 代尔夫特人，微生物学的先驱，一生磨制了550个透 镜，装配了247架显微镜，至今保留下来的有9架。 单式显微镜的顶峰----列文虎克的显微镜