2024年4月12日发(作者：靖光济)

实验三 照相显微镜的构造及显微照

实验四

相技术

材料显微组织的体视学定量

分析

一、 实验目的：

1．

了解显微照相的原理及照相显微镜的构造，熟悉数码照相。

2．

掌握材料显微组织中给定相的体积分数、粒子平均截线长度、单位体积

内晶界面积等参数的定量实验测估所用体视学基本原理与实际测量方法。

二．实验原理：

显微照相是把所要研究的组织拍摄下来，一边较长时间的保存和供研究。

显微摄像的成像原理 ：

O——显微镜物镜 E——显微镜目镜 L——显微镜目镜与成影屏距离

F

0

、F

0

’——物镜的前后焦点 Fe、Fe’——目镜的前后焦点

传统获得金相照片的方法是在光学显微镜上加普通照相机，经过拍片（负片）

----底片冲洗----底片晾干----相纸曝光----相纸冲洗----烘干----剪裁等大量耗时的

暗室工作才能完成。

数码采集金相显微镜系统框架图如下所示：

输出图像

金

视

相

打印机

频

光

拷

摄

学

计算机

贝

像

显

图像监视器

机

头

微

图像采集卡

镜

CCD

两种方式特点比较：

传统金相分析 计算机系统分析

分析性质 定性、定量 定性、定量

工作时间 长 短

照片清晰度 清晰 较清晰

数据保存传送 不容易 容易

体视学：由对3D结构的截面或投影图观测获得3D结构定量信息或重建3D

结构的一门科学分支;是材料组织定量形态学的基础，其中几何概率的应用是体

视学的灵魂。

图像分析技术：从图像(多为二维)中提取特定数据的技术或方法。

金相技术、图像分析技术和体视学三者的有机结合有着广泛的应用前景。因

此，金相和图像分析科技工作者应熟悉和掌握体视学和三维图像图形技术的基本

原理、方法、操作及其正确运用。

高 维 空 间

材 料 样 品

取

样

低 维 图 像

（金相磨面

显微组织）

图

像

处

理

新的图像（保

留原图像待

测量特征的

新图像）

人工测量

或自动图

像分析

低 维 组 织

参 数

（如 P

P

，A

A

，P

L

等）

应用

体视学公式

高 维 组 织

参 数

（如 V

V

，S

V

，

L

V

等）

符号：

以P、L、A、S、V、N等表示点、线、平面面积、曲面面积、体积和个数。

符号中出现下标时，下标符号表示测量所用的量；而符号本身表示被测量的量。

例如：

P

P

：点的百分数，即落在测量对象上的点数除以总点数。

L

L

：线的百分数，即在单位长度测量用线上测量对象占的长度。

V

V

：体积百分数，即在单位体积中测量对象所占的体积。

测量方法：

1. 人工计点法测量第二相的体积分数

2．第二相的体积分数VV用下式计算：

V

V

= P

P

= L

L

相对标准误差[



(V

V

)/V

V

]用下式估算：

用P

P

来测量时：



(V

V

)/V

V

= [V

V

(1-V

V

)×1/P]1/2 /V

V

形式报告测量结果：

在95%的置信水平下，石墨相的体积分数为V

V

= P

P

± C (P

P

)

(n-1)≥40时，系数C近似取2；当(n-1)为9左右，C值取2.3；

C=t(n-1)。

三、实验内容、步骤及设备

内容：

1．对白口铁组织进行数码照相。

照相操作：(1) 对样品聚焦，启动‘抓图’软件，‘抓图’，以学号存图(jpg/bmp)。

或用数码相机直接按快门照相。注意放大倍数。/每次4人。

(2) 由实验室老师统一打印照片。

(3) 对照片质量及组织作简单分析。

2. 球墨铸铁中石墨相的体积百分数的测量(人工计点法)。

3. 球墨铸铁中石墨相的体积百分数的测量(自动图形分析法)。

4. 单位体积中石墨球个数的测量(自动图形分析法)。

步骤：

数字照相的操作步骤：

打开电脑，双击桌面上的 “Intellicam”图标，启动数字照相程序；

在程序选择窗口选择“CCIR”，进入数字照相界面；

显微镜的调节与普通显微镜相同，可对视场、放大倍数、亮度等进行调节，

图像可在目镜直接观察，也可在电脑屏幕上观察；

调节清晰后单击窗口上方工具栏的“Halt Grab”按钮，使图像固定；

保存图像，在开始菜单中选择另存(保存时Intellicam默认的文件格式为

“.mim”)，可将文件名设为“*.bmp”；

单击“Continuous Grab”按钮，变换视场或放大倍数，重复以上步骤拍摄下一

张图片；

照相结束之后，将所拍摄照片和对应标尺移到自己的保存工具中。

用ImageTool软件确定面积百分数：

双击桌面上的ImageTool图标启动程序；

单击“Open”按钮调入需要分析的图象文件；

单击“Manual”按钮将灰度图转变为黑白二值图；

在跳出来的“Threshold”窗口设定门槛值，将右侧门槛调节到图象中所需区域

被盖上；

选择“Analysis”菜单对图象进行各种分析

分析所得的数据显示在“Result”窗口中

用ImageTool软件确定晶粒尺寸尺寸标定settings/Calibrate/2mm/distance…重

复进行；存盘。

设备：

待测样品：

1. 磨制抛光但未浸蚀的球墨铸铁金相样品1块(其中石墨 均匀分布)。

2. 采用上述样品显微组织照片一组(放大倍数100)。

实验仪器：

1. 目镜带测试网格的金相显微镜(与金相样品配合使用)。

2. ImageTool软件。

数据处理：

人工计点法测量第二相的体积分数：

第一次测得10组数据为：11、5、7、11、4、5、8、9、10、7

1157114589107

则

P

v

0.214

3610

所以

V

v

P

v

0.214

利用公式

V

v





1V

v



P

V

v

5%

算得

P1476

所以还需要测

P

36

1031

次

经过31次测量后

N



x

i

41

i

183

则

V

v

P

v



183

0.124

代入公式

3641







V

v

V

v







V

v





1V

v



P

V

v

5%

则同上述计算，计算得出还需测10次，经过10次的测

V

v





1V

v



P

V

v

量得到重复上述计算得







V

v

V

v





4.89%

，此时

V

v

14.1%

人工计点法测量第二相的体积分数：



(V

v

)14.1%1.38%

体视学定量分析结果Black %

14.00%0.71%

则人工计点法测量第二相的体积分数的误差为：

14.1%14%



100%0.71%

14%

石墨相的体积分数为

V

v

14.1%0.71%

误差分析：本实验产生误差的主要原因分为两个方面，一方面人工计点法测

量法在数点时可能数的点数有偏差，有些相切的点没有数但课后查阅资料知道相

切的点应算0.5，而且样品存在景深也会影响误差，计算过程中有效数字的位数

的选取也会造成一定误差。另一方面，在做体视学定量分析时覆盖石墨相可能没

有完全覆盖或者覆盖过度，拍照时只是照了一部分而人工法则基本上数了全部，

石墨相分布不均匀会造成误差，拍照片时相机的分辨率对误差也会有一定的影

响。我的实验数据的误差较小可能是因为我的样品较均匀，拍照拍的较全面。

思考题：

1． 影响显微组织金相照片质量的主要因素有哪些？

物镜和光学系统的成像质量和金相试样的制备 。

2． 金相数码照相系统都有哪些组成？有哪些功能？

3． 什么是像素？

“像素”（Pixel） 是由 Picture(图像) 和 Element(元素)这两个单词的字母所

组成的，是用来计算数码影像的一种单位，如同摄影的相片一样，数码影像也具

有连续性的浓淡阶调，我们若把影像放大数倍，会发现这些连续色调其实是由许

多色彩相近的小方点所组成，这些小方点就是构成影像的最小单位“像素”

（Pixel）。这种最小的图形的单元能在屏幕上显示通常是单个的染色点。越高位

的像素，其拥有的色板也就越丰富，越能表达颜色的真实感。

4． 怎样识别和选用照相目镜？

选用焦距较长的目镜得到的倍数小，画面亮，照片质量好。

5． 怎样选择孔径光阑和滤色片？

孔径光阑的调节与曝光时间的选择 现时显微拍摄的自动拍摄系统中，只要

设置好光源，自动拍摄系统就能准确地确立曝光时间。孔径光阑的作用是使图像

的分辨率、反差和焦深处在最佳状况。大多数的标本，如想得到高质量的照片，

孔径光阑要调节在物镜数值孔径的60%～ 80%之间。

滤色片的使用 在标本拍摄过程中，往往会遇到标本在染色过程中，整体或

某些组织器官染色过深或过浅，或标本年久整体发黄，在这些情况下对标本的拍

摄，可考虑利用滤色片的功能进行调色，如年久发黄或染色时标本染色偏红时，

可考虑用蓝色滤色片进行调色，如标本染色偏紫蓝时，可考虑用绿色或加黄色滤

色片进行调色。

6． 怎样选择照相时的放大倍数所对应的物镜？

2024年4月12日发(作者：靖光济)

实验三 照相显微镜的构造及显微照

实验四

相技术

材料显微组织的体视学定量

分析

一、 实验目的：

1．

了解显微照相的原理及照相显微镜的构造，熟悉数码照相。

2．

掌握材料显微组织中给定相的体积分数、粒子平均截线长度、单位体积

内晶界面积等参数的定量实验测估所用体视学基本原理与实际测量方法。

二．实验原理：

显微照相是把所要研究的组织拍摄下来，一边较长时间的保存和供研究。

显微摄像的成像原理 ：

O——显微镜物镜 E——显微镜目镜 L——显微镜目镜与成影屏距离

F

0

、F

0

’——物镜的前后焦点 Fe、Fe’——目镜的前后焦点

传统获得金相照片的方法是在光学显微镜上加普通照相机，经过拍片（负片）

----底片冲洗----底片晾干----相纸曝光----相纸冲洗----烘干----剪裁等大量耗时的

暗室工作才能完成。

数码采集金相显微镜系统框架图如下所示：

输出图像

金

视

相

打印机

频

光

拷

摄

学

计算机

贝

像

显

图像监视器

机

头

微

图像采集卡

镜

CCD

两种方式特点比较：

传统金相分析 计算机系统分析

分析性质 定性、定量 定性、定量

工作时间 长 短

照片清晰度 清晰 较清晰

数据保存传送 不容易 容易

体视学：由对3D结构的截面或投影图观测获得3D结构定量信息或重建3D

结构的一门科学分支;是材料组织定量形态学的基础，其中几何概率的应用是体

视学的灵魂。

图像分析技术：从图像(多为二维)中提取特定数据的技术或方法。

金相技术、图像分析技术和体视学三者的有机结合有着广泛的应用前景。因

此，金相和图像分析科技工作者应熟悉和掌握体视学和三维图像图形技术的基本

原理、方法、操作及其正确运用。

高 维 空 间

材 料 样 品

取

样

低 维 图 像

（金相磨面

显微组织）

图

像

处

理

新的图像（保

留原图像待

测量特征的

新图像）

人工测量

或自动图

像分析

低 维 组 织

参 数

（如 P

P

，A

A

，P

L

等）

应用

体视学公式

高 维 组 织

参 数

（如 V

V

，S

V

，

L

V

等）

符号：

以P、L、A、S、V、N等表示点、线、平面面积、曲面面积、体积和个数。

符号中出现下标时，下标符号表示测量所用的量；而符号本身表示被测量的量。

例如：

P

P

：点的百分数，即落在测量对象上的点数除以总点数。

L

L

：线的百分数，即在单位长度测量用线上测量对象占的长度。

V

V

：体积百分数，即在单位体积中测量对象所占的体积。

测量方法：

1. 人工计点法测量第二相的体积分数

2．第二相的体积分数VV用下式计算：

V

V

= P

P

= L

L

相对标准误差[



(V

V

)/V

V

]用下式估算：

用P

P

来测量时：



(V

V

)/V

V

= [V

V

(1-V

V

)×1/P]1/2 /V

V

形式报告测量结果：

在95%的置信水平下，石墨相的体积分数为V

V

= P

P

± C (P

P

)

(n-1)≥40时，系数C近似取2；当(n-1)为9左右，C值取2.3；

C=t(n-1)。

三、实验内容、步骤及设备

内容：

1．对白口铁组织进行数码照相。

照相操作：(1) 对样品聚焦，启动‘抓图’软件，‘抓图’，以学号存图(jpg/bmp)。

或用数码相机直接按快门照相。注意放大倍数。/每次4人。

(2) 由实验室老师统一打印照片。

(3) 对照片质量及组织作简单分析。

2. 球墨铸铁中石墨相的体积百分数的测量(人工计点法)。

3. 球墨铸铁中石墨相的体积百分数的测量(自动图形分析法)。

4. 单位体积中石墨球个数的测量(自动图形分析法)。

步骤：

数字照相的操作步骤：

打开电脑，双击桌面上的 “Intellicam”图标，启动数字照相程序；

在程序选择窗口选择“CCIR”，进入数字照相界面；

显微镜的调节与普通显微镜相同，可对视场、放大倍数、亮度等进行调节，

图像可在目镜直接观察，也可在电脑屏幕上观察；

调节清晰后单击窗口上方工具栏的“Halt Grab”按钮，使图像固定；

保存图像，在开始菜单中选择另存(保存时Intellicam默认的文件格式为

“.mim”)，可将文件名设为“*.bmp”；

单击“Continuous Grab”按钮，变换视场或放大倍数，重复以上步骤拍摄下一

张图片；

照相结束之后，将所拍摄照片和对应标尺移到自己的保存工具中。

用ImageTool软件确定面积百分数：

双击桌面上的ImageTool图标启动程序；

单击“Open”按钮调入需要分析的图象文件；

单击“Manual”按钮将灰度图转变为黑白二值图；

在跳出来的“Threshold”窗口设定门槛值，将右侧门槛调节到图象中所需区域

被盖上；

选择“Analysis”菜单对图象进行各种分析

分析所得的数据显示在“Result”窗口中

用ImageTool软件确定晶粒尺寸尺寸标定settings/Calibrate/2mm/distance…重

复进行；存盘。

设备：

待测样品：

1. 磨制抛光但未浸蚀的球墨铸铁金相样品1块(其中石墨 均匀分布)。

2. 采用上述样品显微组织照片一组(放大倍数100)。

实验仪器：

1. 目镜带测试网格的金相显微镜(与金相样品配合使用)。

2. ImageTool软件。

数据处理：

人工计点法测量第二相的体积分数：

第一次测得10组数据为：11、5、7、11、4、5、8、9、10、7

1157114589107

则

P

v

0.214

3610

所以

V

v

P

v

0.214

利用公式

V

v





1V

v



P

V

v

5%

算得

P1476

所以还需要测

P

36

1031

次

经过31次测量后

N



x

i

41

i

183

则

V

v

P

v



183

0.124

代入公式

3641







V

v

V

v







V

v





1V

v



P

V

v

5%

则同上述计算，计算得出还需测10次，经过10次的测

V

v





1V

v



P

V

v

量得到重复上述计算得







V

v

V

v





4.89%

，此时

V

v

14.1%

人工计点法测量第二相的体积分数：



(V

v

)14.1%1.38%

体视学定量分析结果Black %

14.00%0.71%

则人工计点法测量第二相的体积分数的误差为：

14.1%14%



100%0.71%

14%

石墨相的体积分数为

V

v

14.1%0.71%

误差分析：本实验产生误差的主要原因分为两个方面，一方面人工计点法测

量法在数点时可能数的点数有偏差，有些相切的点没有数但课后查阅资料知道相

切的点应算0.5，而且样品存在景深也会影响误差，计算过程中有效数字的位数

的选取也会造成一定误差。另一方面，在做体视学定量分析时覆盖石墨相可能没

有完全覆盖或者覆盖过度，拍照时只是照了一部分而人工法则基本上数了全部，

石墨相分布不均匀会造成误差，拍照片时相机的分辨率对误差也会有一定的影

响。我的实验数据的误差较小可能是因为我的样品较均匀，拍照拍的较全面。

思考题：

1． 影响显微组织金相照片质量的主要因素有哪些？

物镜和光学系统的成像质量和金相试样的制备 。

2． 金相数码照相系统都有哪些组成？有哪些功能？

3． 什么是像素？

“像素”（Pixel） 是由 Picture(图像) 和 Element(元素)这两个单词的字母所

组成的，是用来计算数码影像的一种单位，如同摄影的相片一样，数码影像也具

有连续性的浓淡阶调，我们若把影像放大数倍，会发现这些连续色调其实是由许

多色彩相近的小方点所组成，这些小方点就是构成影像的最小单位“像素”

（Pixel）。这种最小的图形的单元能在屏幕上显示通常是单个的染色点。越高位

的像素，其拥有的色板也就越丰富，越能表达颜色的真实感。

4． 怎样识别和选用照相目镜？

选用焦距较长的目镜得到的倍数小，画面亮，照片质量好。

5． 怎样选择孔径光阑和滤色片？

孔径光阑的调节与曝光时间的选择 现时显微拍摄的自动拍摄系统中，只要

设置好光源，自动拍摄系统就能准确地确立曝光时间。孔径光阑的作用是使图像

的分辨率、反差和焦深处在最佳状况。大多数的标本，如想得到高质量的照片，

孔径光阑要调节在物镜数值孔径的60%～ 80%之间。

滤色片的使用 在标本拍摄过程中，往往会遇到标本在染色过程中，整体或

某些组织器官染色过深或过浅，或标本年久整体发黄，在这些情况下对标本的拍

摄，可考虑利用滤色片的功能进行调色，如年久发黄或染色时标本染色偏红时，

可考虑用蓝色滤色片进行调色，如标本染色偏紫蓝时，可考虑用绿色或加黄色滤

色片进行调色。

6． 怎样选择照相时的放大倍数所对应的物镜？