光学显微镜：原理、构造与冶金应用全解析

显微镜学研究肉眼无法清晰观察的微小物体图像放大。显微镜利用待观察样品发射、吸收、透射或反射的辐射(图1)完成任务。辐射性质决定显微镜类型：光学显微镜、电子显微镜、X射线显微镜、声学显微镜等。光学显微镜使用电磁波谱可见光部分。光学显微镜是通过光学显微镜对材料进行微观检查。

发展历程

古代使用粗糙放大镜，但现代显微镜演变始于17世纪。Hans和Zacharias Janssen于1595年制造首台复合显微镜，Antoni van Leeuwenhoek(1632-1723)制造优质透镜，在极简显微镜中达300倍放大。科学家Robert Hooke建议下，1670年前后伦敦仪器制造商Christopher Cock制造成功复合显微镜，Hooke借此观察到细胞。Hooke显微镜可视为现代仪器鼻祖。

光学显微镜常称"光学显微镜"，使用可见光(图1)和透镜系统放大微小样品图像。光学显微镜是历史最悠久、结构最简单的显微镜。尽管电子冶金仪器发展复杂，它仍是微观组织研究极重要仪器。复杂的"扫描电子显微镜"(SEM)和"透射电子显微镜"(TEM)也是宝贵仪器，但应与光学显微镜配合使用，而非替代。

所有微观组织检查始于光学显微镜，从低倍率(如100×)开始，逐步提高倍率高效评估微观组织基本特征。大多数微观组织可用光学显微镜观察并按特征识别。可疑或未知成分识别可借助：相对基体硬度观察、天然颜色、偏振光响应、选择性腐蚀剂响应。这些观察与被检材料物理冶金已知细节比对。若仍存疑或结构过细无法观察，需实施更复杂技术。

样品制备与观察

光学显微镜可检查抛光或腐蚀冶金样品。某些成分抛光态更易观察，因不被腐蚀细节遮蔽。夹杂物、氮化物、某些碳化物、金属间相无需腐蚀即可清晰观察。除夹杂物外，其他相终抛光引入浮雕效果后更易检查。样品须充分制备，确保无伪影干扰下正确观察解读微观组织。响应偏振光样品(非立方晶结构材料)通常不腐蚀检查。但大多数情况需腐蚀观察微观组织。通常先用通用腐蚀剂显示晶粒结构和相，再用选择性腐蚀剂攻击或着色特定关注相。选择性腐蚀剂广泛用于定量冶金学，特别是自动化设备操作时。无论哪种情况，腐蚀须小心进行，清晰显示微观组织。

光学成像原理

显微镜使用极短焦距物镜形成巨大放大实像，再用短焦距目镜作单纯放大镜观察。光学显微镜基本成像概念和结构见图2。显微镜光学系统主要包括物镜和目镜。物镜目的将物体放大供使用者清晰观察。观察时样品置于物镜焦平面附近物方，样品放大实像先在中间平面成像。中间平面位于目镜焦平面，目镜作放大镜进一步放大中间像平面投影像。最终为观察者提供放大、虚像、倒立图像。

分辨本领与极限

光学显微镜产生物体上不同点可分辨图像的能力有限。透镜分辨本领是这一能力定量度量。距离小于分辨极限的点无法分辨为分离点。Ernst Abbe 1873年首次用方程'd = λ/2n sin A'固定两相邻点允许被感知为分离的最小距离d，其中λ为光波长，A为透镜角孔径一半，n为物体与透镜间介质折射率。

目前，物镜可分辨两物点最小线性间距由瑞利准则给出：'d = 1.22(λ/2NA)'，其中λ为光波长，NA为物镜数值孔径。Abbe准则和瑞利准则非常相似，数值孔径与成像介质关系NA = n sin A。sin A最大值为1(A=90°)，故空气中(n=1)物镜理论最大数值孔径NA=1。因高NA是高分辨率必要条件，发展了浸没光学。样品可通过不同折射率浸没介质(水n=1.33、甘油n=1.47、油n=1.52)在极短距离从物镜成像。

设计良好显微镜空间分辨率主要由物镜决定。目镜虽能放大图像，但不能提高显微镜分辨本领。光学显微镜空间分辨率由瑞利方程给出：Ro = 0.61λ/n sin A，其中Ro为最小可分辨距离，λ为光波长，n为透镜与物体间介质折射率，A为透镜半角孔径，n sin A为物镜数值孔径。

基于上述方程，考虑实际限制：(i)使用390-760nm波长可见光，(ii)半角70°-75°最大可达孔径，(iii)需用水或油浸没法提高折射率，常规光学显微镜分辨率不能超过200nm。

现代光学显微镜能在200nm空间分辨率极限下放大物体1,500倍。光学显微镜可用多种标准分许多类型。例如按照明法分透射和反射类型。透射显微镜光通过透明物体。反射显微镜顶部光源照明不透明物体，透镜收集反射光。按观察法分：明场、暗场、相差、偏振光、干涉、荧光显微镜。每种显微镜可用透射或反射法。明场显微镜是所有显微镜中最流行广泛使用的。此类显微镜下，观察物体透射(或吸收)比和反射比随工作环境变化。这些物体振幅随照明强度变化。无色透明物体仅在照明光相位变化时可见。因明场显微镜不能改变光相位，使用此类显微镜时无色透明样品不可见。

显微镜核心部件

光学显微镜成本和能力差异大。反射光用于金属研究。透射光显微镜用于矿物和聚合物研究，也可用反射光。光学显微镜分"正置"和"倒置"，指观察时样品抛光面朝向。每种配置有优劣，选择基于个人偏好。最简单光学显微镜是台式(通常正置)。部分显微镜可加装摄影功能，取决于支架刚性。

适合观察和显微摄影的不同类型显微镜可用。从简单单元到具多种照明模式、光源、微硬度附件、热台等全功能研究显微镜。光学显微镜基本组件如下(图3)：

照明系统

光学显微镜有多种光源。台式显微镜主用低压钨丝灯，强度足够观察但不足摄影。调节灯泡电流控制光强。曾常见于显微镜的碳弧照明系统已被弧光或灯丝光源取代。氙弧光源因高强度和日光色特性普遍。但光强只能用中性密度滤镜调节。钨卤素灯丝灯因高强度和高色温广泛使用。光强可通过调节电流或中性密度滤镜控制。锆弧、钠弧、石英碘、汞蒸气灯等其他光源较少见。

聚光镜

无球差和彗差可调透镜置于光源前，聚焦光于光路所需点。视场光阑置于此透镜前，最小化显微镜内部眩光和反射。视场光阑收缩至视野边缘。第二可调光阑(孔径光阑)置于垂直照明器前光路上。开闭此光阑改变进入物镜光量和光锥角。此孔径最佳设置随物镜变化，是图像对比度、锐度和景深妥协。放大率增加时，孔径光阑收缩。开大孔径增加图像锐度但降低对比度。关小孔径增加对比度但损害图像锐度。孔径光阑不用于降低光强，仅调节对比度和锐度。

滤光片

用于修饰光便于观察、改善显微摄影或改变对比度。中性密度滤镜在可见光谱均匀降低光强。约85%-0.01%透射率不同中性密度滤镜可用。大多数光学显微镜至少有两个此类滤镜选择。

选择性滤镜用于平衡光源色温至胶片色温。忠实再现彩色图像常需此操作，取决于光源和胶片类型。绿或黄绿滤镜广泛用于黑白摄影减少透镜缺陷对图像质量影响。大多数物镜，特别是低成本消色差物镜，需此滤镜获良好结果。

偏振滤镜用于产生平面偏振光(一片)或交叉偏振光(两片旋转产生消光)，检查非立方(晶体学)材料。光学各向异性材料(如铍、锆、α-钛、铀)可在交叉偏振条件下不腐蚀检查。敏感色板也可配合交叉偏振光增强着色。

物镜

物镜形成微观组织初级像，是光学显微镜最重要组件。物镜尽可能从样品收集光并合成像。物镜NA衡量透镜集光能力。集光能力随角度A增加。孔径光阑设置改变聚光镜NA，进而改变系统NA。

物镜(图4)通常安装在可容纳4-6个物镜的转盘上。部分显微镜不用转盘，仅用刺刀座一次安装一个物镜于垂直照明器。垂直照明器含反射镜或棱镜将光偏向物镜照射样品表面。通常也容纳孔径和视场光阑及滤镜。垂直照明器通常仅提供1-2种照明，如明场和暗场或明场和偏振光。但通用垂直照明器现已可用，单一垂直照明器和一套物镜提供所有照明类型。

筒长为目镜目线至物镜螺纹的镜身长度。此长度非标准化，可变化。大多数物镜设计用于特定筒长，通常160-250mm，通常不可互换。

最常用物镜是消色差物镜，球差校正一种颜色(通常黄绿)，纵向色差校正两色(通常红和绿)。故消色差物镜不适合彩色显微摄影。使用黄绿滤镜和正色胶片得最佳结果。但消色差物镜提供相对长工作距离(物镜前透镜至样品表面距离)。工作距离随物镜放大率增加而减小。大多数厂商为特殊应用(如热台显微镜)制造长工作距离物镜。消色差物镜无应力，对偏振光检查重要。因含透镜少于更高校正透镜，内部反射损耗最小化。

半消色差或萤石物镜提供更高球差和色差校正度，产生比消色差物镜更高质量图像。消色差物镜校正度最高，产生最佳结果，更昂贵。平场物镜对视场平坦度有广泛校正，减少眼疲劳，常见于现代显微镜。

共焦透镜系统中，转盘上每个物镜旋转时近乎聚焦，防止切换透镜时物镜前透镜撞击样品。许多物镜也有弹簧加载，帮助防止透镜损坏。高放大率物镜此问题更突出，因工作距离极小。

某些物镜设计用于样品与物镜前透镜间用油。但油浸物镜很少用，因使用后样品和透镜须清洗。但它们提供比透镜和样品间为空气时更高分辨率。后者最大可能NA为0.95，油浸透镜产生1.3-1.45 NA，取决于透镜和油。放大率25×-160×可用。用油也锐化图像，检查低反射率样品(如煤、陶瓷)有价值。

目镜

目镜也称目镜透镜。目镜(图4)放大物镜产生初级像。眼睛可利用物镜全分辨能力。显微镜在最清晰视距(通常距眼250mm)产生样品虚像。目镜放大此像，达成有用放大率。标准目镜视场直径24mm，平场物镜用大视场目镜视场直径30mm，增加初级像可用面积。

最简单目镜是惠更斯目镜，C.惠更斯发明设计。由两平凸透镜组成，凸面朝向物镜。适合低倍和中倍消色差物镜。补偿目镜用于高NA消色差和更高校正物镜。因部分透镜校正由这些目镜执行，目镜须与所用物镜类型匹配。

眼点距为目镜眼透镜至眼距离。大多数目镜眼点距10mm或更小，佩戴眼镜者不足。单纯近视等简单视力问题可用微调调节适应。散光等视力问题显微镜无法校正，须戴眼镜。高眼点目镜可提供佩戴眼镜所需约20mm眼点距。

目镜通常装各种分划板或网格，用于定位、测量、计数、比较微观组织。目镜放大分划板/网格像和初级像。两像须同时聚焦。特殊目镜也生产以允许比网格尺度更精确测量。如丝分划目镜或螺旋分划目镜。此类装置可自动化产生测量直接数字读数，精度约1微米。

通常用10×放大目镜，但为获得标准放大率，某些系统需其他放大率如6.3×。高倍目镜如1×、15×、20×、25×在特定情况有用。总放大率为物镜放大率Mo乘目镜放大率Me(图2)。若用变焦系统或伸缩装置，放大率须相应改变。

载物台

提供机械载物台用于聚焦和移动样品，样品置于载物台用夹具固定。倒置显微镜载物台有可更换中心板，不同尺寸孔。抛光面对准孔观察。但整个表面不可观察，高倍时因工作距离限制无法聚焦孔边缘附近物镜。正置显微镜样品置载玻片于载物台。因抛光面须垂直光束，样品底与载玻片间垫粘土。镜头纸置于抛光面上，用压平压机将样品压入粘土。但纸片可能粘附样品表面。替代方案，特别适合镶嵌样品，用环代替纸压平样品。铝或不锈钢环同镶嵌件尺寸(钳中略微压平)座于镶嵌件而非样品上。

正置显微镜允许任何物镜观察整个表面，操作者可看清观察样品哪部分。检查涂层样品、焊缝等特定区域需检查样品时此功能有用。镶嵌样品用自动找平载物台夹具可消除粘土找平样品。

载物台须刚性消除振动。载物台移动由x-y微米计控制，须平滑精确，通常用齿轮齿条传动。许多载物台有刻度测量x-y方向距离。聚焦控制常含刻度估算垂直移动。部分设备有电动载物台和聚焦控制。

圆形可旋转载物台板便于偏振光检查。此类载物台常用于矿物学或岩相学研究，有刻度测量旋转角度。直角载物台通常置于圆形载物台上。

支架

台式显微镜需刚性支架，特别是设备上进行显微摄影时。显微镜各部件组装时连接支架。某些情况台式显微镜置于单独支架，也固定摄影系统。

透镜像差

许多透镜像差源于反射折射定律。透镜折射率随光波长变化，焦距随折射率变化。故不同颜色光焦距不同。每个波长分别在离透镜不同距离聚焦成单独像。这是纵向色差(图5)。此外，放大率随焦距变化，改变像大小。这是横向色差(图5)。这些差异须消除以产生彩色照片。因消色差透镜对这些问题校正有限，须用黄绿光滤镜获锐利图像。球差(图5)发生在光轴上点物体光在透镜中心或边缘被更强折射，产生一系列焦点位置，点像表现为有限面积圆。可用限制物镜用中央部分的光阑最小化。透镜设计也可校正部分此问题。

因最佳聚焦像面弯曲，用等量相反曲率补偿目镜产生平坦像。其他问题如彗差和散光，未校正会损害图像质量。

分辨率

观察微观结构细节，光学系统需产生足够分辨率(分辨本领)和足够图像对比度。分辨率可接受但对比度缺乏，细节无法观察。一般，分辨距离d分离的两点或两线能力是入射光波长λ和物镜数值孔径NA函数。遵循方程'd = kλ/NA'，k为0.5或0.61。图6显示k=0.61时四种光波长此关系。也有其他公式。方程不含影响分辨率其他因素，如物镜校正度、透过显微镜观察者视力。基于阿贝工作，条件非冶金学条件：自发光点、完美黑白对比、透射光检查、理想点光源、无透镜像差。

用上述方程，NA 1.4物镜分辨极限约0.2微米。看清间距0.2微米线或点，所需放大率由物镜分辨本领除人眼分辨本领决定，观察条件下难确定。阿贝用0.3mm在250mm距离(最佳视力眼距)。平均波长0.55微米光，所需放大率为物镜NA 1,100倍。这是最大有用放大率1,000 NA规则起源。高于1,000 NA放大率称"空放大"或无用。

考虑其发展条件(肯定远不同于冶金学遇到条件)，须质疑严格遵守1,000 NA规则。据阿贝分析，使用光学显微镜最佳20/20视力者、最佳对比度条件、平均光波长550nm，充分利用物镜NA最低放大率为550倍NA。这确立给定物镜有用最小放大率。建议普通人使用光学显微镜有用放大率上限为2,200 NA，非1,000 NA。

景深

景深是光轴上图像细节以可接受清晰度观察的距离。影响分辨率因素也影响景深，但方向相反。故须在这两参数间妥协，随放大率增加变更难。这是高倍检查首选浅腐蚀原因之一。

观察模式

为达到选定物镜分辨能力，图像对比度须足够。图像对比度取决于样品制备和光学。样品表面光反射率差异产生放大后肉眼可见振幅特征。光反射产生相位差须用相差或干涉差附件渲染可见。

明场照明

垂直明场照明，最广泛用的观察法，占绝大多数显微照片。操作中光通过物镜垂直照射样品表面。垂直入射光法向表面特征反射光回通过物镜至目镜，表面特征显亮。倾斜表面反射光少，视角度显暗。

斜照明

部分显微镜可使聚光镜组件或反射镜偏心，使通过物镜光以非垂直角度照射样品表面。样品表面粗糙度投射阴影，产生三维外观。允许确定凸起或凹陷特征。但只能引入极小斜度，因此技术导致照明不均匀并降低分辨率。

暗场照明

暗场照明收集斜向特征反射光，阻挡法向入射光束反射光线。故对比度实质上与明场相反：明场亮特征显暗，正常暗特征显亮。产生极强图像对比度，斜向特征发光。此条件下常能看见明场不可见特征。此法特别适合研究晶粒结构。但低光强使显微摄影更难，自动曝光控制装置可减轻此问题。

偏振光

冶金学用偏振光通常限于观察某些光学各向异性金属(如铍、α-钛、锆、铀)，这些金属难腐蚀但适当抛光后对偏振光响应良好。电子探针分析仪(EMPA)和能谱仪(EDS)发展前，偏振光检查是鉴定夹杂物方法组成部分。这些仪器发展后，偏振光较少用于此目的，因EMPA或EDS技术鉴定更确定。大多数冶金显微镜现用合成偏振滤镜。"起偏器"置物镜前光路，"检偏器"置物镜后光路，通常目镜下方。

光由垂直传播方向各方向振动横波组成。振动围绕传播方向对称发生，为非偏振光。光通过偏振滤镜，振动仅在传播方向一个平面发生，光称平面偏振光。此平面随滤镜旋转改变。检偏器滤镜置光路中，若光振动平面与检偏器振动平面平行，平面偏振光通过。若检偏器振动平面垂直光振动平面，光不通过，产生消光。平面偏振光从各向同性金属表面(任何立方晶体结构金属如铁)反射，通过交叉位置检偏器(振动平面垂直平面偏振光)，像消光或变暗。但实践中，冶金显微镜不产生完美平面偏振光，完全消光不发生。非严重问题，因冶金学偏振光仅定性使用。须用无应力物镜，通常消色差物镜。萤石或消色差物镜不适合。需强白光源产生准确色彩效果。

若光学各向异性抛光金属置光束下配起偏器和检偏器交叉，微观组织显现。样品制备质量极重要，表面须垂直光路。样品在光束下旋转改变光强和颜色。因各向异性样品在置时难准确设起偏器和检偏器交叉位置(除非交叉位置标记在起偏器和检偏器上)，最好先用各向同性样品找此位置。

平面偏振光击中各向异性金属表面，反射为两相互垂直平面偏振分量。方向随晶体结构变化。两垂直反射强度可变，它们间存在相位差。这些差异随金属和晶体取向变化。六方或四方晶体基面垂直光束时无反射。晶体主对称轴垂直光束时最大反射。合成像主要受这些取向效应影响，相位差意义小。

检偏器相对起偏器交叉时，各向异性表面旋转平面偏振光允许光通过检偏器，产生每个晶粒根据其晶体取向相对光束具有不同光强和颜色图像。载物台旋转360°时，每个晶粒光强从亮到暗变化四次。若相位差显著，光为椭圆偏振，每个晶粒旋转光强差异小，不观察到消光。反射平面偏振光随波长变化时获彩色图像。颜色少时，起偏器和物镜间插入敏感色板增强着色。

各向同性金属若表面经腐蚀、染色、阳极氧化呈光学活性，可用交叉偏振光检查。多种金属开发了程序，但非所有腐蚀表面响应偏振光。通常腐蚀产生每个晶粒蚀坑或切面引起双重反射。不同晶体取向晶粒产生不同取向蚀坑或切面，产生不同椭圆偏振度，产生不同光强。阳极氧化产生厚氧化膜，膜不规则导致双重反射。

阳极氧化样品偏振响应虽归因于膜光学各向异性，实验显示效应源于膜表面不规则。着色腐蚀剂产生表面膜导致干涉色，可用偏振光增强。一般检偏器略偏离交叉位置得最佳结果。除鉴定夹杂物、各向异性金属(锑、铍、铋、镉、钴、镁、钪、碲、锡、钛、铀、锌、锆等)、腐蚀/阳极氧化/着色腐蚀立方金属外，偏振光对检查涂层或变形金属有用。相鉴定某些情况下也可辅助。铸铁石墨球内部结构用偏振光生动显现。马氏体组织常用偏振光更好显现，展示高强铁基合金叶片马氏体。

相差照明

允许检查微观组织中微弱相位变化，几乎无反射光表面光程差或透射光通过样品光程差产生的振幅对比。可检测0.005微米高度差。相差照明冶金学应用有限。技术需单独物镜组和特殊垂直照明器。

干涉差照明

微分干涉差照明产生强调地形细节图像，类似斜照明观察。明场照明不可见或微弱可见细节可用干涉差照明生动显现。可用微分干涉差照明显现地形细节例：成分相对硬度或腐蚀过程性质(哪些区域或成分被腐蚀剂攻击)。某些情况下，结构其他方面可显现，在明场照明不可见或微弱可见。

干涉技术

多种干涉技术用于测量样品高度差。完美平坦表面干涉条纹呈直、平行、等宽等间距线。高度变化导致条纹弯曲或锯齿，取决于所用单位。干涉显微镜将单点光源光分成两束或多束，走不同路径后叠加产生干涉。双光束和多光束仪器是两基本干涉仪类型。测量基于所用光波长。双光束干涉仪可测λ/20高度差；多光束干涉仪可测λ/200。

林尼克型干涉仪为双光束反射显微镜，用非偏振光。分光棱镜从单色光源产生两光束。一束通过测试件物镜至测试件表面反射回通过物镜至目镜。另一束通过参比物镜击中光学平参比镜返回分光棱镜再至目镜。若两束光程差不相等或非λ/2倍数，发生干涉形成等高轮廓线。相邻条纹高度差为λ/2。

托兰斯基多光束干涉仪将部分透射部分反射参比镜置极靠样品表面但略微非平行产生多光束干涉。参比镜已知反射率选取近似表面反射率。光通过参比镜击中样品表面，被样品表面反射，与参比镜和样品间反射光线干涉。多光束干涉仪产生条纹比双光束更锐利，解释更高精度。条纹间距也是λ/2。高度引起条纹从平行排列位移。位移与条纹间距比较获高度测量。

光切显微镜

光切显微镜也用测量表面地形，互补干涉技术。可测1-400微米粗糙度差，用于检查加工表面和表面层或薄膜测量。操作中狭缝置照明系统视场光阑附近，成像为待测表面光线。用暗背景斜照明。用与第一相同第二物镜观察光带。物镜与样品表面45°、相互90°。目镜分划板用于测量或在照片测量。垂直分辨率不如干涉仪，但侧向分辨率更好。

辅助技术

几种特殊装置可配合光学显微镜获取额外信息：

微硬度测试

给显微镜加压头附件可获微压痕硬度数据。许多硬度试验设备厂商也制造单用途装置。负载通常1-1000克，部分厂商有低负载装置(0.05-200克)。可用努普或维氏压头。

热台显微镜

多厂商提供热台显微镜池。单用途装置也可用。冷台附件也生产但冶金学应用有限。热台显微镜用于研究加热、冷却或恒温下相变。热台池中检查反应需用长工作距离物镜，因样品持于池内。且因池窗为石英，物镜须石英校正，特别是20×以上放大率。

须用非化学腐蚀技术观察相变。样品在真空恒温保持时晶界热腐蚀。晶界沟槽易用明场照明观察。相变由表面浮雕显现。故剪切反应(如马氏体或贝氏体形成)最易观察。其他相变更难或不可能观察。变态可原位拍照，通常用电影摄影机。

特殊载物台

多种配置可用。镶嵌样品自动找平载物台典型例。通用倾斜载物台也制造用于快速操作粗糙不规则样品。特殊载物台也设计用于处理小物体。多载物台制造用于原位实验。低熔点有机材料(如樟烯)固化原位观察进行固化基础研究，其固化类似金属。低熔点金属合金重结晶同样观察。特殊载物台用于观察电解抛光腐蚀进程。池也用于腐蚀过程原位检查。载物台设计用于观察涉及静态或动态应力各种过程，装置也设计允许物理提取夹杂物。

热池显微镜

放射性材料冶金制备需远程控制制备用特殊设计热池。特殊显微镜设计用于热池配合。

现场显微镜

当无法切割移动至实验室的部件或大物体微观组织需检查时，多厂商制造便携实验室设备可原位抛光切片。便携显微镜有时可用于检查拍摄微观组织。若不能，可制作复制品用光学或电子显微镜检查。

比较显微镜

偶尔需比较两微观组织。通常将每样品显微照片并排放置，但也可用特殊显微镜。桥式比较器用于结合两台式显微镜图像同时观察。

电视监视器

投影显微镜可用于群体观察，但更常在黑白或彩色监视器显示微观组织。多高分辨率闭路系统可用。

洁净室显微镜

小颗粒研究受观察时粉尘污染影响。故此类工作须在专门制造无尘环境洁净箱、洁净台或洁净室进行。

图像分析仪

定量冶金学增加使用，特别是夹杂物表征，促进基于电视原理自动图像分析系统发展。关注相或成分主要通过光反射率差异产生监视器灰度差异检测。大多数立体测量可用这些系统完成。自动载物台和强大微型计算机实现大量自动化。虽这些装置相当昂贵，但刺激了立体学及其在结构-性能相关性应用兴趣。

在抛光或腐蚀样品上检测特征，取决于关注特征性质。需腐蚀时通常用选择性技术。利用视场和特征特定测量。视场测量同时测量所有检测特征，如体积分数测量。特征特定测量按顺序单独测量每个颗粒。此程序通常用于形状和尺寸测量。

某些结构不适合用此类系统精确测量。如断口细节定量不能用自动图像分析仪，因装置不能按灰度分离断裂特征。许多透射电镜结构也不能用这些装置分析。此类结构可用半自动描绘装置，操作者用光笔或手写笔检测。这些低成本系统可用于近乎任何立体测量。因检测需更多时间，不适合需多视场采样测量问题。

显微摄影

摄影附件发展前，微观组织须素描。虽无此文档需求，素描仍是有用教学方法。显微摄影冶金学重要，因显微照片可忠实再现观察细节供他人查看。现有设备易生产高质量显微照片。但需仔细注意样品制备、腐蚀和显微镜使用。虚假微观组织再现太常见，导致不准确解读、合格材料被拒、失效分析错误结论。

历史上暗房摄影程序最普遍。宝丽来等即时摄影工艺引入后，许多显微照片用这些材料制作，利用其速度效率。但图像再现牺牲，每份额外副本须重复过程。用自动曝光装置配合即时胶片最小化浪费。传统暗房摄影需更多精力，但产生更好显微照片。湿法暗房过程可大量自动化，但需频繁显微摄影证明设备成本合理。

获良好显微照片需足够图像对比度和分辨率、全视场均匀聚焦、均匀照明、足够景深。光源须正确对准，系统无振动。须用黄绿滤镜校正透镜缺陷。光学系统须清洁，视场和孔径光阑须正确调节。显微镜以多种方式聚焦，取决于型号。可用多种胶片格式：板、不同尺寸片胶片、35mm卷胶片。胶片平面放大率须已知。若仅变量为物镜和目镜放大率则简单程序，但用变焦系统或伸缩装置更难。载物台测微尺可用于确定真实放大率。

暗房或即时技术有系列黑白和彩色胶片可用。厂商记录胶片特性。黑白胶片通常用因成本低。对比度控制更好，处理更易，通常比彩色胶片快。彩色胶片有重要用途证明其成本合理。传统黑白摄影先产生负片，再用产生适合纸上微观组织正片。显微照片多年无明显变化保存。负片选择基于可用格式、色敏度、对比度、分辨本领、速度、颗粒度、曝光和显影宽容度。

部分黑白胶片不敏感全可见光谱。正色胶片除橙红外敏感所有颜色。全色胶片敏感所有颜色，但强调蓝、弱化黄。黄滤镜可减少此色偏。正色胶片暗红光下显影，全色胶片需全暗。正色胶片显微摄影极好，特别是插入黄绿滤镜校正透镜缺陷时。

胶片速度仅在照明低时(偏振光、干涉差、暗场照明)为关键变量。正色胶片中等对比度适合大多数结构。高对比度胶片可增强对比度。胶片分辨本领定义记录图像精细细节能力。故高分辨本领胶片理想。颗粒度取决于乳剂银颗粒大小、显影剂、显影时间温度。高速胶片颗粒更粗，放大不适宜。首选接触印相。需大胶片尺寸但省放大时间。产生更好图像消除重新确定印相放大率。细颗粒胶片提供最佳分辨率。

负片曝光时，有允许曝光范围产生可用可印相负片。宽曝光宽容度很有价值。每胶片含曝光时间密度特性关系信息。选曝光须在密度-时间曲线线性部分。好致密负片允许印相时抑制部分精细图像缺陷。欠曝负片大大限制印相通常产生差印片。负片显影相对简单：显影液、停影液、定影液、水洗干燥。

内置曝光表最易确定正确曝光。若无，可制作测试曝光系列。完全拉出胶片盖，曝光整胶片判断远短于所需时间。盖插入覆盖约10-20mm胶片，重复曝光。增量重复直至盖全插入覆盖胶片。显影后基于每带负片密度评估正确时间。或用同速即时胶片阶梯曝光，省暗房时间。大多数黑白胶片接触印相。负片乳剂面朝上置接触印相机，合适纸乳剂面朝下覆盖负片。印相机合上，光通过胶片照纸。印片显影、停影、定影、水洗、干燥。印相对比度由纸类型和显影时间控制。印相对比度类型从特软(平)到特硬(1-5级)。3号纸最常用。4号纸增强对比度，2号纸降低对比度。

即时胶片消除暗房工作，加速过程。宝丽来印片用扩散转移反转过程。曝光后从相机取出胶片开始显影。拉出胶片挤破含粘性腐蚀性显影剂荚，铺展胶片上。黑白胶片快速显影，彩色印片需稍长时间。部分宝丽来胶片极高速度，暗光优势。部分印片需涂中性稳定剂/保护漆防污渍褪色。也有产生负片和正片即时胶片。负片须清除但无需暗房。显微镜用宝丽来胶片全为全色。有卷胶片、胶片包、片胶片。曝光时间须比传统湿法胶片更精确控制得良好印片。

微距摄影

常需检查拍摄宏观腐蚀盘和断裂零件等物体。检查可目视或用简单手持放大镜或体视显微镜辅助。微距摄影可用大多数相机，或许辅以近摄镜头附件、伸缩装置或微距镜头。许多体视显微镜可装相机摄影，部分拍立体对。少数厂商提供微距摄影相机架。部分冶金显微镜有低倍物镜可进行某些类型微距摄影。

微距摄影利用小于1×至50×放大率。大多数实验室，特别是从事失效分析者，有各种相机、光源、体视观察器覆盖宽拍摄对象范围。正确照明对强调细节、提供无眩光反射均匀照明必要。照明调整需实验经验。可用照明包括泛光灯、环形灯、同轴、光纤。光箱可消除阴影，但需相当创意获良好结果。

景深和分辨率重要变量。许多拍摄物体三维，需一定景深和适当照明显现形状纹理。景深随光阑设置、放大率、镜头焦距变化。缩小光阑改善景深但降低图像亮度清晰度。放大率减小、焦距增加景深增加。5×以下放大率首选100mm以上焦距。高倍用短焦距镜头。