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显微镜专栏

偏光显微镜原理和使用方法

时间:2017/11/19 22:33:58   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:5053   评论:0
内容摘要:・偏光显微镜的整体结构     偏光观察所必须的元件有起偏器(起偏镜)和检偏器(检偏镜)。透射偏光显微镜将起偏镜安装在场镜和聚光镜之间,将检偏镜安装在物镜和成像镜之间。    偏光观察需要透过起偏镜的线偏振光能够保持良好的振动面并一直到达检偏镜,因此为了避免中间的聚光镜和物镜对偏...

・偏光显微镜的整体结构

     偏光观察所必须的元件有起偏器(起偏镜)和检偏器(检偏镜)。透射偏光显微镜将起偏镜安装在场镜和聚光镜之间,将检偏镜安装在物镜和成像镜之间。

    偏光观察需要透过起偏镜的线偏振光能够保持良好的振动面并一直到达检偏镜,因此为了避免中间的聚光镜和物镜对偏光造成不好的影响,必须使用没有应力的偏光专用物镜。

    偏光显微镜的其他特别元件如下所述:

     1. 旋转台:可使样品作360度旋转。
     2. 可调中心转换器:调整物镜光轴。
     3. 补偿器:用于延迟的测量。

 
 
     4. 检光板:用于寻找样品相减的对角位。
 
     5. 伯氏镜:用于锥光检测(后述)。
 
     此外,偏光显微镜的显微镜主体和镜筒类在连接部位有定位销,以使偏光元件、检光板、补偿器等保持一定朝向。
偏光显微镜原理和使用方法

偏光显微镜的构成要素
起偏镜、检偏镜

    透射型偏光显微镜一般将起偏镜置在聚光镜和场镜之间,将检偏镜安在物镜之上。

    比起微分干涉用起偏镜和检偏镜重视亮度的特性,偏光显微镜用起偏镜和检偏镜更重视性能,因此采用了消光比Extinction Factor E.F.值)更高的偏振光片,进一步提高了直交偏光时的消光性能
    检偏镜可以360°无限旋转,还可以以0.1°的精度读取角度。

    LV100POL的起偏镜可以360°旋转,其他型号一般固定为50i POLE200POL使用简易型起偏镜,插在聚光镜的下部。相对于显微镜,起偏镜的振动方向设定为左右振动检偏镜设定为前后振动。(参照图55
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物镜

 

    为了不损失偏光性能,镜头在设计和制造中尽量减少应。 「镜头上有“P ”标志。
    此外,有“DIC”标志的微分干涉用物镜虽然不是偏光专用镜头,但由于其应力小,也可以用于偏光观察。 
聚光镜

    偏光显微镜用聚光镜为应变小的消应变消色差聚光镜。普通消应变消色差聚光镜的数值孔径三角指针为白色,偏光用聚光镜的数值孔径指针则使用黄色与,通过颜色与普通产品区别开来。
偏光显微镜原理和使用方法
旋转台

 

    为了改变试料的位置,采用了可以360°旋转的圆形旋转台。 LV100 POL的旋转台上还设置了从任意角度起每45°发出卡嗒声的定位装置,以便能从手感判断出消光位和对角位。

 

    其他机型无卡嗒声定位装置,采用的是旋转台自身定心的G2 旋转台。
    如果是用于双折射性的观察,各个机型没有太大差别;但如果是为测量延迟而购买偏光显微镜,建议购买可通过手感确认消光位及对角位的、旋转台带卡嗒声定位装置的偏光显微镜(LV100POL)。
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定心转换器
    转换器可以补偿每个物镜的偏心,用于使试料旋转中心对准视野中心。 注)
    即使样本在旋转台上旋转,也可以将所有物镜的观察对象调整到视野中心部。
    LV100POL50i POL上带这种装置。 E200POL上没有定心转换器,由G 旋转台进行定心。 
    50i POL上转换器、旋转台都有定心机构,请使用转换器进行定心。

 

    此外,定心转换器上还有插入贝雷克补偿器(后述)用的“DIN插槽”。
    注)定心转换器附带两根专用的定心螺丝。请告知用户妥善保存。
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偏光用中间镜筒
    镜筒上装有以下部件:
    1. 检偏镜:插在插槽上的最小读数为0.1°的内置型旋转检偏镜。可通过插拔检偏镜来切换偏光观察⇔明视场观察。
    2. 检光板插槽:插入检光板和塞纳蒙补偿器(后述)。
    3. 伯氏镜:通过目镜可以观察物镜光瞳面的镜头,可以从光路中插拔,能进行定心、对焦。一边看物镜光瞳面的暗十字,一边调整正交尼科尔(检偏镜和起偏镜),用于锥光干涉图的观察。
偏光显微镜原理和使用方法
    将检偏镜调整为0°时,必须将其准确朝向与起偏镜成90°的方向,因此配备了调整用的定位销。这是为安装在偏光显微镜本体上时角度能够更精确而配置的。
    注)组装显微镜时,顺时针旋转定位销将其推入的组装方法精度最高。

偏光用镜筒

    这是为调整眼瞳距时使目镜内十字线刻度(也叫分度线)的角度补偿更精确而设计的镜筒。

目镜 (CFI 10x CM)

 

    这是内置十字线刻度、与偏光用镜筒组合使用、将十字线调整至精确对准起偏镜、检偏镜方向的目镜。该目镜在调整定心转换器时必不可少,通过转换器的定心调整使目标晶体在十字的交点(视野中心)旋转。
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检光板

    装有λ板(敏锐色板、1波长板: R=530nm)和1/4波长板(R=136.5°)的滑板,用于确认相加和相减。

    所谓“检光板”与下一页的“(3)石英楔形检光板”有区别。

    哪个检光板更容易确认相减要看延迟的大小,因此请将λ板和1/4波长板都试用一下,选择容易确认的一个使用。

 

    插入检光板推断出样本为相加时,请将旋转台旋转90°,并再次插入检光板确认样本是否为相减。
补偿器
    用于测量样本的延迟。尼康有以下种类的补偿器。(使用方法不在此说明,请参阅使用说明书。)
    (1)塞纳蒙补偿器 :
    延迟测量范围 0~1λ(546nm)。
    高灵敏度的补偿器,插入中间镜筒的检光板插槽中使用。
    546nm的绿色干涉滤光片(IF546/12滤光片)和石英楔形检光板组合使用,可以测量超过1λ的延迟。 
    (2)贝雷克补偿器 :
    延迟测量范围 0~1,800nm.。
    插入定心转换器的补偿器插槽“DIN插槽”中使用(不能用于E200POL)。与检光板及其他补偿器X’、Z’的方向相反。
    每个补偿器专用的换算表随附在说明书中,通过序列号进行管理。 附有换算表的使用说明书绝对不能遗失,请将其与补偿器一起妥善管理。
    (3)石英楔形检光板 : 
    延迟测量范围 1~ 6λ(3,276nm)。与前页叙述的“检光板”不同,作为补偿器用于λ~辅λ单位的大致测量。

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(4)延迟标准板 
    1λ=546nm,将延迟分别调整为1、2、3、5、10、20、30λ的7种板组件。 
    将标准板平行或垂直组合插入R中间镜筒,利用相加、相减的原理来调整延迟。 

 

 

 

    即使是数10nm级的大延迟,最终也能通过贝雷克补偿器或塞纳蒙补偿器进行测量。
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IF546/12滤光片

    延迟测量用滤光片,中心波长为偏光显微镜的基准波长(1λ)546nm(e线)。(图65)半幅值为12nm,比普通绿色干涉滤光片更接近单波长,可以获得明暗分明的干涉像。

    是精确测量延迟不可或缺的滤光片。

 

   (例:参照图48“石英楔形检光板上呈现的干涉条纹和干涉色”)
偏光显微镜原理和使用方法

【参考】 使用IF546/12的理由

    以单波长照射晶体,会出现明暗干涉条纹,而不是干涉色。(参照“3-6-15.干涉色”) 

    与以白色光照射,得到0级干涉色、然后以最暗部分测量延迟的方法相比,通过单色干涉条纹的最暗部来进行测量更为精确。这就是使用单波长的理由。

    补偿器及检光板上显示λ值,但显示的都是λ=546nm。 也就是说,是以水银灯的e线(546nm)为基准而设计的。偏光显微镜的透射光源通常使用卤素灯,因此上页所述的IF546/12滤光片可以制造与e线同等的照明环境。

    尼康和奥林巴斯都采用546nm作为λ值。

    有些用户可能是以D线(589.6 及589.0 nm)为基准的,这种情况下光源使用发射D线的钠灯,检光板和补偿器等也使用D线专用的产品。

・偏光像的观察(正像镜检)

什么是正像镜检

   观察双折射性样品最标准的观察方法。

    将起偏镜、检偏镜设置为正交尼科尔,把聚光镜的上透镜推开,然后缩小视场光阑至对观察没有影响的程度,再对着显微镜光轴以几乎平行的光照射样品。

    没有双折射性的各向同性部分即使转动旋转台也只能看到黑暗状态。

    双折射部分则会以与延迟相当的干涉色显示图像。

    一边转动旋转台一边进行观察,调整到观察部分容易观察的亮度。

    具体观察步骤及延迟的测量方法不是本教材的讲解对象,我们另外寻找其他机会再作说明。

    偏光显微镜以及塞纳蒙补偿器、贝雷克补偿器的使用方法请参阅各装置的使用说明书。

・锥光镜检

    关于锥光镜的介绍很少,因此这里我们稍作详细说明

何谓锥光镜检

   在偏光显微镜的正交尼科尔观察中,以大数值孔径的光照射样本、并同样以大数值孔径的物镜来聚光,便可以通过物镜的光瞳面看到透过样本的各个方向的光的信息。

    这种并非直接观察样本本身,而是观察物镜光瞳面(后侧焦点面)的手法叫做锥光镜检。

    锥光镜检常用于单轴晶体、双轴晶体的判别、切割面朝向及轴方向的确认、正晶体、负晶体的判别等等。

锥光干涉图的观察方法

    观察物镜光瞳面最简单的方法就是去掉目镜,直接观看镜筒的套筒内部。这种方法最适合以高对比度来观察锥光干涉图,但由于图像太小难以看清,一般采用光路中加入伯特兰透镜,通过目镜观察光瞳放大图像的方法。

    伯特兰透镜内置于偏光用中间镜筒内,可以通过在光路中的插拔来与正像进行切换。 

    此外,光瞳面的聚焦并不是利用调焦旋钮升降旋转台来进行,而是使用伯特兰透镜附带的旋钮来进行。(图66)

    由于锥光干涉图相对于目镜视野存在偏心,请操作偏光用中间镜筒后侧的2颗螺丝将其移动到中心部。(图67)

 

    此外,伯特兰透镜是将瞳像投射到数码相机中的唯一方法。
偏光显微镜原理和使用方法
锥光镜检的步骤

 

    1、通过视场光阑限定想要观察的部分。

 

    2、使补偿器的孔径光阑全开,再将推开的上透镜推入光路。

 

    3、切换为40倍物镜。

 

    4、将伯特兰透镜推入光路,与光瞳面聚焦。(图66)

    5、由于锥光干涉图存在偏心,进行伯特兰透镜的定心调整。(图67)

・锥光镜检的用途

(1)单轴晶体和双轴晶体的判别

    锥光镜检最典型的用途就是单轴晶体和双轴晶体的判别。

    如图69所示,单轴晶体在与光学轴垂直的面切割晶体时,可以观察到图70、71中所示的锥光干涉图。图70所示的是切成薄片的晶体,在暗十字周围可以看见1级干涉条纹。如果是光学性的厚切片,除了暗十字以外在周围还能看见高级的同心圆状干涉条纹。除了单纯的厚度较厚以外,还有折射率差大、延迟达好几个波长的情况,这些情况下会显示图71中所示的同心圆状干涉条纹。

    无论哪种情况都一样的是,在中心会显示被称为同消色线(isogyre)或暗十字的暗十字形干涉图像,该十字的朝向与起偏镜、检偏镜的朝向一致,十字的中心表示光学轴的倾斜度。 

 

    同心圆状的条纹越靠外侧级数越高,如1λ、2λ、・・・这样逐渐增高。 即使转动旋转台,锥光干涉图也不会改变。
偏光显微镜原理和使用方法
图69中所示的薄片是从与光轴垂直的面切割而成的晶体薄片,透过的线偏振光与光学轴平行,因此不会发生延迟。即使旋转样本,也得不到消光位,亮度始终保持恒定。正像时看起来就像各向同性物质,但如果是锥光干涉图,就会如上图那样显示暗十字图案,从而与各向同性物质区别开来。

双轴晶体的干涉图案如图72所示,有两个中心。

(2)轴倾斜度的观察

 

     在锥光镜检下,还能观察光学轴相对于薄片切割面的倾斜度。
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如图73所示,薄片的切割面相对于光学轴发生倾斜时,暗十字及同心圆状干涉条纹的中心就会偏心。转动旋转台,锥光干涉图便会如下图74那样移动。光学轴的倾斜度小时,如下图74上图所示,暗十字的中心会留在光瞳内部;倾斜度大时,则会跑到光瞳外部(下图74下图)。

 

    此外,即使转动旋转台,暗十字的朝向也不会发生变化。

 

    (与起偏镜、检偏镜的朝向一致。)
偏光显微镜原理和使用方法

 如图75那样,薄片与光学轴平行时,折射率为主折射率,以nε-nω计算,延迟最大。

    这种情况下有明确的对角位和消光位,正像镜检中在对角位可以观察到干涉色和干涉条纹,锥光镜检中则不会出现朝向起偏镜及检偏镜方向的暗十字及同心圆状干涉条纹。 

    相反,如果转动旋转台,与消光位对准,锥光镜检时则会出现图76所示的干涉图像。

    这种情况下的暗十字与和光学轴垂直时的暗十字不同,中心部较粗。(与调整正交尼科尔时可以看见的暗十字相同)

    左右稍稍转动旋转台,便会如图76(a)、图76(c)所示的那样,暗十字向光学轴旋转的方向分成双曲线形状,并从视野中消失。

 

    如上所述,在消光位附近稍稍转动旋转台,暗十字便会在视野中消失或出现的干涉图像叫做闪像(Flash figure)。
偏光显微镜原理和使用方法
下图是延迟为484nm的薄水晶切片的锥光干涉图,随着延迟增大,整体被白色覆盖,对比度变弱,并逐渐消失。
偏光显微镜原理和使用方法

 照片(b):光学轴与起偏镜一致时的暗十字

      (a):从位置(b)起沿逆时针方向稍稍转动旋转台时的干涉图像

      (c):从位置(b)起沿顺时针方向稍稍转动旋转台时的干涉图像

    注:由于水晶是正晶体,在包含光学轴的面内振动的异常光的振动方向为Z'。

    在旋转台转动的同时光学轴也跟着旋转,暗十字一边向旋转方向移动一边分成双曲线。

    通过暗十字→双曲线的移动,便能明白光学轴的方向。

    这样,通过锥光镜检,便能检测出光学轴的方向和倾斜度。

(3)单轴晶体的正负判别

    锥光镜检也可用来判断单轴晶体的切割面角度垂直或近乎垂直于光学轴时、晶体是正晶体还是负晶体。

    将样本薄片放在旋转台上,将检光板(1/4λ板)推入光路,锥光干涉图的中心部位便会如图77(A)及图77(B))那样发生变化。

 

    暗十字如图77(A)那样变化时晶体为正单轴晶体,如图77(B)那样变化时晶体为负单轴晶体。
偏光显微镜原理和使用方法

振动方向在包含光学轴的面内的光为异常光,振动方向与包含光学轴的面垂直的光为寻常光。

 

    如图78左图那样从光学轴方向观察单轴晶体,各光的振动方向如右图所示(异常光以蓝色、寻常光以黑色表示)。异常光自光学轴处呈放射状振动,寻常光则围绕光学轴振动。
这里我们主要关注异常光的情况。
    正晶体在异常光方向的折射率较大、异常光延迟,故振动方向为Z’。
    负晶体在异常光方向的折射率较小、异常光超前,故振动方向为X’。
    另一方面,寻常光与异常光的情况相反,因此正晶体的振动方向为X’、负晶体的振动方向为Z’。这些以锥光干涉图的模型来表示,就如图77(A)、(B)中的左图。
    由于检光板的X’、Z’方向始终固定,因此从右前到左后的方向为X’、从左前到右后的方向为Z’(图77(A)、(B)的中央)。
    左侧的“薄片的一级锥光干涉图”和中央“检光板(1/4λ板)的方向”重合(A),锥光干涉图的每四分之一等分会发生相加、相减,具体关系如图77(B)的右图所示。
    正单轴晶体和负单轴晶体每4分之1等分的相加、相减关系正好相反,可以由此来进行正负判别。
    以下是正晶体(水晶)和负晶体(方解石)的图片示例。
偏光显微镜原理和使用方法

・锥光干涉图的性质
    锥光干涉图是透过样本的光在物镜光瞳上形成的样本干涉图像。透过双折射性晶体的光在光瞳面形成因延迟产生的锥光干涉图。
    将垂直于光学轴切割而成的薄片以大数值孔径的光照射,并通过大数值孔径的物镜隔着检偏镜观察其光瞳,便可以看到除了起偏镜、检偏镜方向的十字(暗十字),还会出现相当于R=nλ(n=012、・・整数)的干涉条纹。单波长时会出     现明暗相间的同心圆状图案,白色光时则出现从中心向四周扩散的同心圆状的、与干涉色图表中干涉色相同的图案。
    同心圆的中心(与暗十字中心一致)表示光学轴,干涉为0级,因此呈黑暗状态。越靠近外围,干涉级别会如1λ、2λ..这样逐渐升高,明暗图案及干涉色越接近白色,并逐渐变淡。
    从中心到第一个圆圈为1级干涉色,按照黑色→灰色→白色→黄色→橙色→红色→紫红→紫色的顺序变化。
    推入检光板(1/4λ板)后,在灰色敏锐色区域中相减侧的干涉色呈黑色变化、相加侧呈白色变化。以暗十字分割的瞳像中,2处为相减、剩余2处为相加关系,因此根据各部分的明暗状态就能一眼判别出晶体的正负。
    图79中的水晶薄片只能看见1级干涉色,因此可以看出其被切割成很薄的光学性薄片。
    图80中的方解石可以看见10几λ的干涉条纹,说明其具有高级别延迟,为较厚的光学切片。

 

 

   图81所示为方解石的锥光干涉图的详细情况。
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 参考文献(资料)
      1)“偏光显微镜”岩波书店 坪井诚太郎
      2)“高分子材料的偏光显微镜入门” AGNE技术中心  粟屋裕 
      3)“Nikon Technical BulletinVol.9 偏光显微镜观察法”株式会社尼康 正田笃五郎
      4)“Nikon Technical BulletinVol.4 光学基础知识”株式会社尼康  竹中裕
      5)偏光显微镜基础说明书  OLYMPUS
      6)http://www.microscopyu.com/articles/polarized/index.html Nikon MicroscopyU
      7)日本工业规格 JIS B7251 :2000 偏光显微镜的参照系统 (委员长)三宅和夫












 




出处:正势利工作室

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