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（暗場環），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，現代的電動化和計算機化顯微鏡和圖像分析系統為自動化國際或行業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，多個相位狀態都可以在單一的視野中進行檢測、量化并以圖形表示。