上篇我們介紹過薄透鏡物象之間的關(guān)系，是物體發(fā)出的光束經(jīng)薄透鏡成理想象的關(guān)系。在確定這些關(guān)系時，總是認(rèn)為：物空間里一物點(diǎn)發(fā)出的光束通過透鏡后在象空間成一完善的象點(diǎn)。由此形成的象點(diǎn)叫理想象點(diǎn)。由理想象點(diǎn)構(gòu)成的與原物形狀相似，顏色相同的象，稱之為理想象。

上篇我們介紹過薄透鏡物象之間的關(guān)系，是物體發(fā)出的光束經(jīng)薄透鏡成理想象的關(guān)系。在確定這些關(guān)系時，總是認(rèn)為：物空間里一物點(diǎn)發(fā)出的光束通過透鏡后在象空間成一完善的象點(diǎn)。由此形成的象點(diǎn)叫理想象點(diǎn)。由理想象點(diǎn)構(gòu)成的與原物形狀相似，顏色相同的象，稱之為理想象。

實(shí)際上對單一薄透鏡來說，只有在單色光和近軸光線成象時才是理想象。公式(2—5)、(2—6)和圖2—9所示作圖法均為薄透鏡成理想象時所遵守的規(guī)律。

實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)一般都不是在單色近軸光情況下成象，而是在多色寬光束下成象，這種成象與理想成象之間有很大的偏離。實(shí)際成象與理想成象之間的偏離就是光學(xué)系統(tǒng)的象差。象差的存在影響象的清晰度和物象之間的相似性。

從象差產(chǎn)生的原因和影響成象質(zhì)量的性質(zhì)來看，可以把象差分為兩類：一類是單色光成象時的象差，簡稱單色象差，它有球差、慧差、象散、場曲和畸變五種。另一類是多色光成象時，由于介質(zhì)折射率隨光的波長不同而變化所引起的象差，稱為色象差。它有軸向色差和垂軸色差兩種。

除鈾向色差和球差是屬于軸上物點(diǎn)的象差外，其余的都屬于額外物點(diǎn)的象差。在七種象差中，只有畸變不影響象的清晰度，僅破壞物象之間的相似性。其它的六種象差，都在一定程度上破壞象的清晰度。

(1)球差

球差是由于光軸上物點(diǎn)用單色寬光束通過透鏡成象時，不同入射高度的光線折射后交光鈾于不問點(diǎn)所產(chǎn)生的，見圖2—10a)、b)。光軸上物點(diǎn)B發(fā)出的單色光束，經(jīng)透鏡邊緣的光線折射后交光鈾于B'1點(diǎn)，截距Θ為L’；而靠近光軸的光線折射后交光軸子B'2點(diǎn)，截距為l’。如果我們把觀察屏放在B'1、B'2點(diǎn)之間的任何位置，所看到的都不是一個理想的象點(diǎn)，而是一個彌散的光斑，與理想象點(diǎn)比較，有很大的偏離。一般定義上述截距之差(l’—L’)為透鏡的球差，用符號δL'表示，即

TIPS: Θ 此處截距實(shí)際上指的是象方截距，它是從透鏡系統(tǒng)最后一個折射球面與光軸交點(diǎn)算起的象距。

在光學(xué)系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)馗淖兺哥R參數(shù)和組合可以校正球差，如圖2—10 c)所示，這樣的光學(xué)系統(tǒng)稱為消球差系統(tǒng)。

(2)慧差

慧差的產(chǎn)生是由于軸外物點(diǎn)A發(fā)出的單色寬光束對光軸不對稱，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后在理想象平面上形成一個錐形散射斑。它的形狀象拖著尾巴的彗星，因此這種象差稱為慧差，見團(tuán)2—11。

根據(jù)象差理論可以證明，與光軸垂直的小物面上各物點(diǎn)發(fā)出的光線，通過一個消球差的光學(xué)系統(tǒng)成象，同時物象之間的關(guān)系又滿足下列的正弦條件：

nY sinU = n'Y'sinU' ? ?(2-8)

則這個消球差的系統(tǒng)也是消慧差的光學(xué)系統(tǒng)。
式中?

n、n' - 物方、象方的折射率；
Y、Y' - 近軸物點(diǎn)的物高與象高；
U、U' - 物方斜角、象方斜角。

光軸上校正了球差又滿足正弦條件的一對共軛點(diǎn)(物、象對應(yīng)點(diǎn))，稱為齊明點(diǎn)或不暈點(diǎn)。金相顯微鏡的油浸物鏡頭兩片透鏡就是兩次應(yīng)用齊明點(diǎn)的原理設(shè)計的，所以該油浸
物鏡在高倍放大條件下仍能保證有良好的成象質(zhì)量，見圖2—12。S為金相試樣表面,它上面有一層折射率與第一個半球透鏡很近似的油層，C1為第一個半球透鏡的球心，S和S1為第一半球透鏡的不暈點(diǎn)，S經(jīng)第一個半球透鏡成一完善象S1。正彎月透鏡的第一個折射球面的曲率中心C2位于虛象S1處。因此，光線進(jìn)入正彎月透鏡的第一個折射面時，不會改變方向。選擇正彎月透鏡的第二個折射面的曲率（C3為其曲率中心），使S1距C3有合適的距離，則正彎月透鏡第二折射面又一次不暈地將S1成此象于S2。這就是不暈點(diǎn)在金相顯微物鏡中應(yīng)用的例子。

（3）象散和場曲

象散的產(chǎn)生，是由于遠(yuǎn)離光軸的傾斜細(xì)光束投射到透鏡時，透鏡對不同方向的光線有不同的會聚能力所引起的。從圖2—13中可以看出：由遠(yuǎn)離光軸BPB'的物點(diǎn)A發(fā)出的光束對透鏡來說不是正圓錐形的，此時出射光束不再存在對稱軸線，而只存在一個對稱面。這個對稱面就是通過光軸BB'和入射光束的中心光線(主光線)AP所決定的平面(子午面)。通過主光線與子午面垂直的平面叫弧矢面。透鏡對這兩個截面內(nèi)的光線有不同的會聚能力，在子午面內(nèi)光線焦點(diǎn)為A't，再弧矢面內(nèi)光線焦點(diǎn)為A's，和子午面平行的截面內(nèi)光線會聚成與子午面垂直的子午焦線Ft A't F't ； 和弧矢面平行的截面內(nèi)光線會聚成與弧矢面垂直的弧矢焦線Fs A's F's；而在兩焦線間出現(xiàn)一系列的橢圓和一個圓（常稱為明晰圓）。

如果考慮與光軸正交的物平面上所有物點(diǎn)以細(xì)光束成象情況，與這些物點(diǎn)對應(yīng)的A'1、A's的軌跡是兩個繞光軸旋轉(zhuǎn)的曲面，分別稱為子午象面和弧矢象面，而明晰圓的軌跡稱為明晰象面，見圖2—14所示。這三個面在光軸上彼此相切。一般說來，明晰象面不是平面，而是一個曲面，這種象差叫做象面彎曲，簡稱場曲。子午象面與弧矢象面不重合，就叫做象散。若子午象面、弧矢象面和明晰象面三者重合為一個平面，則象散和場曲就完全校正了。在一定的象方視場內(nèi)校正了象面彎曲和象散的物鏡叫平場物鏡。國產(chǎn)VM2200M型立式金相顯微鏡和VM5000M大型金相顯微鏡中的干燥系物鏡都是平場消色差物鏡。

（4）畸變

上面討論的球差、慧差、象散和場曲均影響象的清晰度，而畸變則影響物、象之間的幾何相似性。畸變是指在整個象面范圍內(nèi)由于各處的垂軸放大率不同而使象與原物在形狀上失真。

如果與光軸距離越遠(yuǎn)的地方垂軸放大率越小，結(jié)果方格網(wǎng)狀的物將成一桶形，如圖2—15a)所示，這種畸變叫桶形畸變或負(fù)畸變。如果與光軸距離越遠(yuǎn)的地方垂軸放大率越大，結(jié)果方格網(wǎng)狀的物將成一鞍形，如圖2—15b)所示，這種畸變叫鞍形畸變或正畸變。

畸變的存在除了象的相似性被破壞以外，對成象的清晰度無顯著的影響。因此，只要眼睛看不出由于畸變而引起的變形，則這種象差對金相顯微鏡沒有多大妨礙。

（5）色差

色差是由于玻璃對不同波長的單色光具有不同的折射率所引起的，因此，當(dāng)物體發(fā)出白光時，以其中紅光C(波長為6562.8埃)、黃光D(波長為5992.8埃)、藍(lán)光F(波長為4861.3埃)為例，由于各色光線有不同的傳播途徑，結(jié)果使它們有不同的成象位置(見圖2—16)，又有不同的成象高度(見圖2—17)。這就是軸向色差和垂軸色差。

1)軸向色差

軸向色差(或稱位置色差)是指各種色光的成象位置沿鈾向之差。普通光學(xué)玻璃的透鏡，對紅光C的折射率較小，折射后交光軸于B'c點(diǎn)，離透鏡較遠(yuǎn)，而對藍(lán)光F的折射率較大，折射后交光袖于B'f點(diǎn)，離透鏡較近，黃光D則在它們之間。通常用C、F兩種波長光線的成象位置之差來表示軸向色差(用符號ΔL'cf表示)：

當(dāng)一個光學(xué)系統(tǒng)的ΔL'cf 0時，稱為色差校正不足；反之，如ΔL'cf 0，稱為色差校正過頭。從圖2-16中容易看出，由于軸向色差的存在，使用白光成象時會出現(xiàn)有彩色的象。為了避免這種現(xiàn)象，金相顯微鏡的物鏡都應(yīng)時消軸向色差的，即ΔL'cf接近于零。

2）垂軸色差

垂軸色差（或稱放大率色差）是指各種色光成象大小不一樣。通常用C、F兩種波長光線在同一象平面上的象高之差表示垂軸色差（用符號ΔL'cf表示），見圖2-17，即

由于垂軸色差使物體用白光成象時在象的邊緣出現(xiàn)彩色，所以視場較大的光學(xué)系統(tǒng)必須校正垂軸色差。金相顯微鏡目鏡屬于這種系統(tǒng)，故應(yīng)較好地校正這種色差。從薄透鏡組的消色差理論可以證明，用同種材料制成的、象方焦距分別為f'1、f'2，相距為d的兩薄透鏡（在空氣中使用），當(dāng)d、f'1和f'2之間滿足下列關(guān)系時，就能消垂軸色差，即

惠更斯目鏡和冉斯登目鏡均屬于消垂軸色差的薄透鏡組。

透鏡是一切光學(xué)儀器的主要零件，它可以使光線會聚或發(fā)散，使物象放大或縮小。透鏡的中央部分比邊緣部分厚的叫凸透銳，見圖2—4。中央部分比邊緣部分薄的叫凹透鏡，見圖2—5。透鏡的表面通常都做成球面(其中之一可以是平面)，但也有采用其它非球面形狀的，例如國產(chǎn)立式、大型臥式金相顯微鏡中光源和孔徑光欄之間的聚光鏡就使用了雙曲面透鏡。

在光學(xué)研究的初期，把光的傳播看成是一種帶有能量的幾何射線的傳播，這種幾何射線人們叫做光線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)確立了下列四條關(guān)于光線傳播的實(shí)驗(yàn)定律。

由于人眼構(gòu)造的自然條件，人的視力——“看得清楚”的能力，是受到一定限制的。如果直接用肉眼去觀察金相試祥的話，一般說來，對1毫米以內(nèi)的細(xì)節(jié)就分辨不清楚了。但利用金相顯微鏡就可以分辨從幾個微米到十分之幾微米的細(xì)微組織結(jié)構(gòu)。若用電子顯微鏡則進(jìn)一步可以分辨從幾十個埃到幾個埃的細(xì)微組織。

金相顯微鏡是用來觀察不透明物體的，由于光線不能透過不透明物體所以必須采用一套復(fù)雜的照明系統(tǒng)使光線從正面或側(cè)面把物體表面照亮，然后依靠物體表面的反射能力，使部分光線反射入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)放大成象，為眼睛所觀察。由此可見，金相顯微鏡是利用反射光觀察不透明物體的。

金相顯微鏡與生物顯微鏡的區(qū)別：金相顯微鏡觀察的試樣不透明，只能借助試樣磨面的反射光來觀察，需要特殊光源。生物顯微鏡觀察的試樣是透明的切片，采用自然光源。

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金相，“金”指的是金屬或者是合金材料，“相”應(yīng)該就是指外觀。所以金相的意思應(yīng)該就是說金屬或者是合金材料的外觀形態(tài)。但并不是我們?nèi)庋鬯吹降臉幼?，?yīng)該是通過顯微鏡所看到的微觀狀態(tài)。