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显微镜专栏

显微镜——微分干涉(DIC)

时间:2020/6/26 22:22:03   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:36   评论:0
内容摘要:原理:微分干涉镜检术是利用特制的渥拉斯顿棱镜来分解光束。分裂出来的光束的振动方向相互垂直且强度相待,光束分别在距离很近的两点上通过被检物体,在相位上略有差别。由于两光束的裂距极小,而不出现重影现象,使图像呈现出立体的三维感觉。微分干涉镜检术出现于60年代,它不仅能同相衬显微镜一样能观察无色透明的物体,还可以观察到细菌、...

    原理:

微分干涉镜检术是利用特制的渥拉斯顿棱镜来分解光束。分裂出来的光束的振动方向相互垂直且强度相待,光束分别在距离很近的两点上通过被检物体,在相位上略有差别。由于两光束的裂距极小,而不出现重影现象,使图像呈现出立体的三维感觉。

    特点:

可以使被检物体产生三维立体感觉

观察效果更直观

无须特殊物镜,与荧光观察配合更好

可以调节背景和物体的颜色变化而达到理想的效果。

    缺点:

需要光强高,双折射物质不能达到DIC镜检效果,不能应用于塑料容器培养物的观察,镜检灵敏度有方向性,调节较复杂。

 

    应用:

无色透明活体标本的细微结构,无色荧光标本,染色标本,显微操作等。

 

    微分干涉镜检术出现于60年代,它不仅能同相衬显微镜一样能观察无色透明的物体,还可以观察到细菌、细胞等活体标本,广泛用于细胞学、组织学、血液学、神经学、植物学、结晶学、半导体工作等领域。而且图像呈现出浮雕状的立体感,并具有相衬镜检术所不能达到的某些优点,观察效果更为逼真。它与相衬显微镜相比有以下几个优点:

    a)干涉相衬显微镜能产生位相物体的干涉图像。它既能真实地反映物体细节,又以立体的浮雕状形态将物体的光学厚度梯度如实地反映出来。而相衬显微镜的图像无立体感,且四周有虚假的“镶边”。

    b)干涉相衬显微镜能改变程差,以便改变图像的干涉色,以达到最佳的观察对比度。而相衬显微镜的图像是单色的。

    c)干涉相衬显微镜能充分的利用聚光镜孔径,因此可使物镜的分辨率有可能达到极限值。而相衬显微镜由于环形光阑的影响,照明孔径受到很大的限制,使显微镜的分辨率难以达到极限值。

    干涉相衬显微镜可分为诺曼斯干涉相衬显微镜和马赫-泽德干涉相衬显微镜

1、诺曼斯基干涉相衬显微镜

    1)原理

下面为透射式诺曼斯基干涉相衬显微镜的光学系统。从起偏镜1出射的线偏振光通过渥拉斯顿棱镜2之后,被剪切成振动方向互相垂直的两种线偏振光,经聚光镜3后,两线偏振光以横向位移为δ的平行光透过标本4,然后经物镜5在其后焦面聚焦。诺曼斯基棱镜6的干涉场正好处于物镜5后焦面,经过诺曼斯基棱镜6后,两偏振光又会合在一起,而偏振方向仍互相垂直,故不能干涉。但通过检偏镜7后,振动方向一致,于是在中间像面8上形成干涉图像,可用目镜观察。

显微镜——微分干涉(DIC)         显微镜——微分干涉(DIC)

    渥拉斯顿棱镜与诺曼斯基棱镜都是由两块光轴互相垂直的单晶体(常用石英)光楔胶合而成的,其入射面和出射面平行。但前者的光轴均与棱镜的入射面(或出射面)平行,其干涉场在两光楔的胶合面上。后者的一条光轴与棱镜入射面成某一角度θ,这样干涉场就可移出棱镜之外。在干涉相衬显微镜中,渥拉斯顿棱镜起剪切光束作用,诺曼斯基棱镜起复合光束作用。

    上图右为落射式诺曼斯基干涉相衬显微镜的光学系统。成像原理与透射相似,其差别在于系统中仅用一块诺曼斯基棱镜。它先起剪切光束作用,后又起复合光束作用,即偏振光先被剪切成两束偏振光,经物镜及标本按原路反射,再次通过诺曼斯基棱镜时复合在一起。

    2)技术要点

    a)起偏镜与检偏镜互相正交,使干涉图像具有最大的对比度。

    b)起偏镜偏振轴与偏振棱镜(如渥拉斯基顿棱镜)的下半块光楔的光轴成45度。

    c)以平行光方式照明物体,否则无浮雕现象,即偏振棱镜的干涉场须与聚光镜及显微镜物镜的相应焦面重合。

    d)物镜需消应力。各物镜的后焦面到物平面的距离应尽可能地一致。

    e)剪切量δ应小于或等于物镜的分辨率,使干涉条纹的间隔大于视场。δ=2(ne-no)φf'

    式中,ne为非常光(e光)折射率,如波长=589.3nm时,ne=1.55336;no为寻常光(o光)折射率,如波长=589.3nm时,no=1.54425;φ为光楔楔角;f'为显微镜物镜的焦距。

    f)由于偏振棱镜的干涉场是倾斜的,因此,偏振棱镜需转动相应的角度,使干涉场与显微镜光轴垂直。

    若干涉场斜率为k,ai为入射角,则k=(1/ne-1/no)φ/2=ai

    g)当平移偏振棱镜,连续地改变干涉色时,应有0~700nm的程差变化。

 

下面为落射DIC检测ACF导电粒子图片

显微镜——微分干涉(DIC)

 

2、马赫-泽德式干涉相衬显微镜

    诺曼斯基干涉相衬显微镜需要使用偏振光,因而要应用价值昂贵的晶体棱镜,它们必然影响成像质量,特别不利于二色性物体的观察。另外,由于每一个诺曼斯基棱镜其剪切量是固定的,因而只能得到微分干涉相衬的效果,如视场中双像的存在,必然使成像清晰度有所降低。

    显微镜——微分干涉(DIC)

    如上所示为马赫-泽德干涉相衬显微镜的光学系统。狭缝光源1经聚光镜2照明标本3,光束通过物镜4和辅助物镜5,进入马赫-泽德干涉仪6。狭缝光源1在干涉仪6内成像,标本3被辅助物镜11成像在中间像面,用目镜12观察。

    在干涉仪内,当携带着物体相位信息的两干涉光束复合时便产生干涉,物像在干涉背景上呈现出来。

    利用补偿板8、9可调整光源像之间的剪切方向和距离,因而可使背景干涉条纹的方向和宽窄发生变化。当两光源像间剪切为零时,背景呈现均匀色。调整可调补偿板10,背景的颜色可以连续改变裂像光楔7用来改变像面上物像的剪切距离,故能实现微分像分裂、部分像分裂和完全像分裂的不同观察方式。

    如果将裂像光楔7换成狭缝光阑,则在干涉仪的这一臂中除掉了所有衍射光,只允许直射光通过,它到达中间像面时已滤去了物体的所有细节,成为只是照亮视场的平面波。所以当两束光干涉时,在中间像面上不再出现双像,而只有一个立体感较强的彩色干涉像,背景颜色均匀,故具有极好的像质。这种情形可称为严格的干涉相衬。

    由于物像与背景间的颜色差别能反映透明物体的光程差,而利用可调补偿板能测出这个光程差,从而可计算出物体相应局部的折射率或厚度的微小差别。可调补偿板是一个角度很小的光楔,垂直于光轴方向移动几个毫米时,才补偿一个波长的程差,即约为0.5um,可见折射率或厚度的测量灵敏度是很高的。

    用狭缝光阑替换裂像光楔的同时,在干涉仪另一臂中加一浦阑遮挡直射光,透过衍射光,此时,干涉仪等效于一块可变相位差的相板,两光束在中间像面叠加可获得相衬的效果。

    显然,若在干涉仪两臂光路中同时遮拦直射光,只让衍射光通过,我们在像面上将会看到暗场观察时所出现的同样现象。

 

     


标签:显微镜 微分 干涉 











 




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