光學顯微鏡在觀察材料微觀結構方面的應用已有數十年。.

明場（BF）照明是金相學分析當中最為常見的觀察方式。在反射明場中，來自光源的光路會穿過物鏡并在樣本表面上反射再返回經過物鏡，最終抵達目鏡或攝像頭進行觀察。由于反射光進入物鏡后產生了大量的光反射，光滑平坦的表面就會形成一個非常明亮的背景，那些不平整的表面特征，如裂紋，氣孔，蝕刻晶界，或具有高反射性的特征物質，如沉淀物，二相夾雜物等，反射光會有不同角度的反射和散射甚至被部分吸收，這些特征就會顯得更暗。

暗場（DF）則是人們鮮少了解但相當強大的照明技術。暗場照明的光路通過物鏡的外空心環(huán)（暗場環(huán)），以高角度入射到樣本上，從表面反射，然后通過物鏡的內部，最后到達目鏡或照相機。這種類型的照明會使平面看起來很暗，因為在高入射角反射的絕大多數光都無法通過物鏡內的鏡片。對于表面平整且偶爾出現(xiàn)非平整特征（裂紋、氣孔、蝕刻晶界等）的樣本，暗場像顯示的背景較暗，而與非平整特征相對應的區(qū)域較亮形成對比。

顏色（色調）蝕刻劑通常采用化學方法（浸泡在溶液中）或電化學方法（浸泡在帶有電極和外加電位的溶液中），在樣品表面產生薄膜，這通常取決于特征。薄膜與反射光相互作用并通過干涉產生顏色，這在正常明場照明下可以觀察到，但是通過偏振光和相位延遲（λ或波片）可以顯著增強。另外，熱著色或氣相沉積是產生干涉膜的替代方法。

在鋼合金中，所謂的“第二相"成分可以通過蝕刻選擇性地著色，這提供了一種分別識別和量化它們的方法。用彩色蝕刻法鑒別鋼中的鐵素體和碳化物是一種常用的方法。

干涉膜的生長可以是樣品表面特征（如晶粒）晶體取向的函數。對于用標準試劑蝕刻（侵蝕晶界）產生不完整網絡（晶界）從而阻止數字圖像重建的合金，由于不同晶粒取向導致的微觀結構顏色編碼允許進行粒度分析。

定量金相學的起源在于應用光學顯微鏡研究金屬合金的顯微組織。材料科學家必須解決的第一個基本問題是：

• 合金中某些特征性尺寸是多少，總共有多少這種類型的特征？

• 合金當中存在多少特定成分？

  
  

  
  

多年來，使用圖表評級和視覺比較是能夠用半定量描述回答這些問題的方法。如今，現(xiàn)代的電動化和計算機化顯微鏡和圖像分析系統(tǒng)為自動化國際或行業(yè)標準所涵蓋的大多數評價和評估方法提供了快速和準確的手段。

測量通常在一系列二維圖像上進行，可分為兩大類：用于量化離散晶粒的大小、形狀和分布的測量（特征測量）和與基體微觀結構相關的測量（現(xiàn)場測量）。

第一組的幾個例子是鋼中夾雜物含量的測定、鑄鐵中石墨的分類以及熱噴涂涂層或燒結零件中孔隙度的評估。

現(xiàn)場測量的常見應用是通過截取法或平面法確定平均晶粒尺寸，以及通過相分析估計微觀結構成分的體積分數。使用圖像分析軟件，多個相位狀態(tài)都可以在單一的視野中進行檢測、量化并以圖形表示。