偏光對比顯微成像入門：偏光顯微鏡的原理

瀏覽次數(shù)：1514　發(fā)布日期：2024-11-15　來源：徠卡顯微鏡

偏光對比顯微成像入門

偏光顯微鏡通常應(yīng)用于材料科學(xué)和地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，根據(jù)礦物的折射特性和顏色來識別礦物。在生物學(xué)中，偏光顯微鏡通常用于晶體等雙折射結(jié)構(gòu)的識別或成像，或用于植物細胞壁中纖維素和淀粉粒的成像。

雙折射是偏光顯微鏡的關(guān)鍵

雙折射物體具有通過折射將單束光分成兩束不同光的特性。雙折射材料包括具有高度有序分子結(jié)構(gòu)的材料，如方解石或氮化硼晶體。生物標(biāo)本（如纖維素或淀粉）也具有雙折射性。雙折射與線性偏振光相結(jié)合，可用于顯微鏡觀察，實現(xiàn)兩束不同光線的干涉，從而產(chǎn)生色彩效果，如光環(huán)和結(jié)構(gòu)發(fā)光。

偏光顯微鏡的對準和光束路徑

普通光學(xué)顯微鏡至少需要兩個附加組件才能實現(xiàn)偏光顯微鏡觀察。要檢測雙折射性，必須使用線偏振光照明。因此，必須在顯微鏡的光束路徑中插入兩個偏振濾光片。通過起偏器產(chǎn)生偏振光來照射試樣，第二個偏振濾光片（稱為檢偏器）將檢測到的光限制為折射光。

偏振濾光片必須互成 90° 角，才能達到所謂的 "全黑位置"。當(dāng)偏振濾光片設(shè)置在這個位置時，沒有光線會進入相機或目鏡，圖像將是暗的。設(shè)置為“全黑”是偏光顯微鏡的一個重要步驟，因為它可以確保只有因試樣而導(dǎo)致偏振面發(fā)生變化的光線才是可見的。

圖 1：偏振顯微鏡的原理：未偏振光由起偏器 1 進行偏振。通過起偏器 1 后，光線被聚光器聚焦到試樣上。如果試樣具有雙折射或含有雙折射結(jié)構(gòu)，則部分光線的偏振面會扭曲 90°（草圖中的紅線表示）。試樣的圖像被物鏡放大后，打到起偏器 2 上。如果起偏器2 比起偏器 1 扭轉(zhuǎn) 90°（即所謂的 "暗位置"），則只有通過雙折射試樣后偏振發(fā)生變化的光才能到達目鏡或照相機，并被觀察者看到。因此，只有改變偏振光的結(jié)構(gòu)才是可見的。

起偏器和檢偏器

當(dāng)光線通過第一個偏振濾光片時，會產(chǎn)生線性偏振光。如果線性偏振光在正確的偏振面上通過雙折射材料，則會產(chǎn)生折射并分成兩束光線，其中一部分光線的偏振面會旋轉(zhuǎn) 90°。如果第二個偏振器（檢偏器）對齊正確（即相對于第一個偏振濾光片成 90°），折射光線就會通過第二個偏振器（檢偏器）。因此，只有雙折射材料才能在偏振光顯微鏡中產(chǎn)生圖像。

圖 2：太陽光或燈泡發(fā)出的光為非偏振光，即電磁波在所有方向上都會發(fā)生振蕩。如果非偏振光通過起偏器 1，就會產(chǎn)生具有明確偏振的光，在本例中為垂直偏振光。如果這束偏振光照射到起偏器 2 上，起偏器 2 旋轉(zhuǎn) 90°，則沒有光通過。因此，這兩個起偏器處于所謂的 "暗位置"，因為經(jīng)過第二個起偏器后就再也看不到光了。

重要的是，被檢測的雙折射材料的偏振軸與第一個偏振片產(chǎn)生的光處于同一偏振軸上。因此，許多偏光顯微鏡都配備了旋轉(zhuǎn)平臺，以確保物體的偏振面與第一偏振濾光片的偏振面容易對準。偏光顯微鏡的特殊應(yīng)用可使用各種附件。

貝特朗透鏡可用于對物鏡后孔聚焦的晶體圖案進行圓錐觀察。此外，延緩板或補償器可用于對雙折射試樣進行定量分析。

偏光顯微鏡的應(yīng)用

圖 3：波羅的海琥珀中的蒼蠅。雖然琥珀是一種無定形物質(zhì)，理論上具有光學(xué)各向同性，但在偏振光下可以觀察到內(nèi)部應(yīng)變造成的樹脂流動結(jié)構(gòu)以及夾雜物造成的應(yīng)變。偏振光和一階紅色補償器的使用使原本金黃的琥珀呈現(xiàn)出濃烈的色彩。暗場和入射光（玻璃纖維）、交叉偏振、一階紅色補償器、HDRI 色調(diào)映射的組合。由瑞士伯爾尼瑞士寶石學(xué)會 Michael Hügi 提供。

圖 4：鈷，冷軋，貝拉哈刻蝕，偏光。微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的檢查在材料科學(xué)和失效分析中起著決定性作用。在偏光顯微鏡下對刻蝕樣品進行光學(xué)偏振，往往可以增強顏色對比度和特定的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。由德國普福爾茨海姆大學(xué)的 Ursula Christian 提供。