光学显微镜在观察材料微观结构方面的应用已有数十年。.

明场（BF）照明是金相学分析当中最为常见的观察方式。在反射明场中，来自光源的光路会穿过物镜并在样本表面上反射再返回经过物镜，最终抵达目镜或摄像头进行观察。由于反射光进入物镜后产生了大量的光反射，光滑平坦的表面就会形成一个非常明亮的背景，那些不平整的表面特征，如裂纹，气孔，蚀刻晶界，或具有高反射性的特征物质，如沉淀物，二相夹杂物等，反射光会有不同角度的反射和散射甚至被部分吸收，这些特征就会显得更暗。

暗场（DF）则是人们鲜少了解但相当强大的照明技术。暗场照明的光路通过物镜的外空心环（暗场环），以高角度入射到样本上，从表面反射，然后通过物镜的内部，最后到达目镜或照相机。这种类型的照明会使平面看起来很暗，因为在高入射角反射的绝大多数光都无法通过物镜内的镜片。对于表面平整且偶尔出现非平整特征（裂纹、气孔、蚀刻晶界等）的样本，暗场像显示的背景较暗，而与非平整特征相对应的区域较亮形成对比。

差分干涉对比度（DIC）又称为Nomarski对比，可帮助看清样本表面上较小的高度差，因此可增强特征对比。DIC使用渥拉斯登棱镜以及起偏器和验偏器，其透射轴相互垂直（以90°交叉）。棱镜分裂的两个光波在样本表面反射后发生干涉，使高度差成为可见的颜色和纹理变化。

通常情况下，反射光路显微镜提供了大部分数所需观察的信息，但在某些情况下，尤其是聚合物和复合材料，那些用标准样品制备方法和反射光路显微镜可能无法获得全部所需要的信息，这时使用透射光路显微镜（用于透明材料）和色素或染料，能够帮助获得那些被隐藏的微观结构。

由于很多热固性材料对常用的金相蚀刻剂无反应，因此能够增强离散特性中折射率差异的透射偏振光通常能够很好地观察样本的微观结构。

偏光：自然光由具有任意多个振动方向的光波组成。偏振光滤片只能让光波平行于传输方向振动。两个偏镜以90°交叉产生最大消光（变暗）。如果偏振器之间的样本改变了光的振动方向，就会出现特征性的双折射颜色。

微观结构的本色在金相学中的应用通常非常有限，但是当利用某些光学方法（如偏振光或DIC）或样品制备方法（如彩色蚀刻）时，颜色可以显示有用的信息。

偏振光显微术对于检查非立方晶体结构与金属（如Ti、Be、U和Zr）非常有帮助。遗憾的是，主要的商用合金（Fe、Cu、Al）对偏振光不敏感，因此彩色或着色蚀刻提供了一种额外的方法来揭示和辨别微观结构中的特征。

颜色（色调）蚀刻剂通常采用化学方法（浸泡在溶液中）或电化学方法（浸泡在带有电极和外加电位的溶液中），在样品表面产生薄膜，这通常取决于特征。薄膜与反射光相互作用并通过干涉产生颜色，这在正常明场照明下可以观察到，但是通过偏振光和相位延迟（λ或波片）可以显著增强。另外，热着色或气相沉积是产生干涉膜的替代方法。

在钢合金中，所谓的“第二相”成分可以通过蚀刻选择性地着色，这提供了一种分别识别和量化它们的方法。用彩色蚀刻法鉴别钢中的铁素体和碳化物是一种常用的方法。

干涉膜的生长可以是样品表面特征（如晶粒）晶体取向的函数。对于用标准试剂蚀刻（侵蚀晶界）产生不完整网络（晶界）从而阻止数字图像重建的合金，由于不同晶粒取向导致的微观结构颜色编码允许进行粒度分析。

定量金相学的起源在于应用光学显微镜研究金属合金的显微组织。材料科学家必须解决的第一个基本问题是：

• 合金中某些特征性尺寸是多少，总共有多少这种类型的特征？
• 合金当中存在多少特定成分？

多年来，使用图表评级和视觉比较是唯一能够用半定量描述回答这些问题的方法。如今，现代的电动化和计算机化显微镜和图像分析系统为自动化国际或行业标准所涵盖的大多数评价和评估方法提供了快速和准确的手段。

测量通常在一系列二维图像上进行，可分为两大类：用于量化离散晶粒的大小、形状和分布的测量（特征测量）和与基体微观结构相关的测量（现场测量）。

第一组的几个例子是钢中夹杂物含量的测定、铸铁中石墨的分类以及热喷涂涂层或烧结零件中孔隙度的评估。

现场测量的常见应用是通过截取法或平面法确定平均晶粒尺寸，以及通过相分析估计微观结构成分的体积分数。使用图像分析软件，多个相位状态都可以在单一的视野中进行检测、量化并以图形表示。

宏观检验技术经常用于常规质量控制以及失效分析或研究。这些技术通常是显微观察的前奏，但有时也可以单独用作接受或拒绝的标准。

宏观蚀刻试验可能是该组内信息量最大的工具并且广泛用于材料加工或成形的许多阶段的质量检验。借助于体视显微镜和各种各样的照明模式，而宏观刻蚀通过揭示材料微观结构中缺乏均匀性来提供组件均匀度的整体视图。其中部分举例如下：

• 凝固或加工产生的宏观结构模式（生长模式、流线、带状等）
• 焊缝熔深和热影响区
• 由于凝固或工作引起的物理不连续性（孔隙、裂纹）
• 化学和电化学表面改性（脱碳、氧化、腐蚀、污染）
• 由于淬火不规则，钢合金或钢型的表面硬化深度（表面硬化）
• 磨削或加工不当造成的损坏
• 过热或疲劳引起的热效应