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什么是偏振光顯微鏡？

原創(chuàng) birefringence Thorlabs索雷博

偏振光顯微鏡(Polarized Light Microscopy, PLM)也叫做巖相顯微鏡，zui 初 在地質(zhì)學(xué)中用于礦物分析。當(dāng)雙折射材料與偏振光相互作用時(shí)，一些有序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠由此顯現(xiàn)。

                                使用偏振反射照明采集的日光石圖像

PLM是標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合顯微鏡的變體，主要區(qū)別在于兩個(gè)正交偏振器。di 一 個(gè)叫做起偏器(Polarizer)，用于產(chǎn)生偏振光，第二個(gè)叫做檢偏器(Analyzer)，用于檢驗(yàn)偏振光。如果光路中沒(méi)有樣品或樣品為各向同性材料，所有光都將被阻擋，視場(chǎng) wan 全 變暗。為了看到圖像，樣品需要改變光的偏振方向，使之能通過(guò)檢偏器，而雙折射材料就具備這種性質(zhì)。

▎光學(xué)術(shù)語(yǔ)翻譯探討：雖然double refraction和birefringence都翻作雙折射，但前者表示光產(chǎn)生兩個(gè)折射的行為，而后者表示材料的光學(xué)性質(zhì)，即不同偏振和傳播方向的折射率有差異。換言之，birefringence性質(zhì)是光表現(xiàn)出double refraction行為的原因。▎

通過(guò)雙折射樣品時(shí)，e光和o光產(chǎn)生相對(duì)延遲：

兩個(gè)偏振分量在檢偏器重新合束時(shí)將發(fā)生干涉并顯示不同的干涉色，但注意這不是樣品本身的顏色。根據(jù)公式可知，雙折射率之差和厚度(t)共同決定相對(duì)延遲，因此也決定產(chǎn)生的干涉色。因?yàn)?/span>e光和o光在不同的平面內(nèi)振蕩，所以顏色不是通過(guò)簡(jiǎn)單的相長(zhǎng)或相消干涉產(chǎn)生的。

如下圖所示，光通過(guò)樣品后的偏振方向以及通過(guò)檢偏器的強(qiáng)度都與相對(duì)延遲有關(guān)。當(dāng)相對(duì)延遲為半波時(shí)透射強(qiáng)度 zui 高，在兩個(gè)端點(diǎn)的0和全波延遲時(shí) zui 低。因此偏振光顯微鏡測(cè)量要考慮三個(gè)因素：樣品雙折射、樣品厚度和正交偏振片的方位。

對(duì)于白光照明，如果延遲等于某種顏色的波長(zhǎng)，那么相應(yīng)的光將被消除，留下與之互補(bǔ)的干涉色。當(dāng)延遲為零時(shí)，所有顏色都被消除。隨著延遲增加，達(dá)到 zui 短 的紫光波長(zhǎng)時(shí)紫光被消除，干涉色就是紫光的互補(bǔ)顏色，即黃色。延遲達(dá)到藍(lán)光波長(zhǎng)時(shí)，藍(lán)光被消除，干涉色變成橙色。延遲繼續(xù)增加到綠、黃、橙、紅光波長(zhǎng)時(shí)，相應(yīng)的互補(bǔ)干涉色為紅、紫、藍(lán)、綠。

干涉色 zui 常用 的分析工具是Michel-Levy比色圖。根據(jù)顏色和一個(gè)變量(厚度或雙折射)，跟隨對(duì)角線就能確定另一個(gè)變量；通常是根據(jù)已知厚度確定雙折射。下面的網(wǎng)頁(yè)中有一個(gè)交互式教程。從截圖可看出，zui 左 邊區(qū)域是灰色或白色的，這對(duì)應(yīng)于 zui 小 的延遲。一階顏色是 zui 強(qiáng) 的，向右逐漸變?nèi)?，在五六階時(shí)變成暗淡的黃色和粉色。

對(duì)于樣品很薄因此延遲很小的情況，可見(jiàn)光范圍內(nèi) mei 有 ren 何 波長(zhǎng)會(huì)被 wan 全 阻擋，而缺乏特征色可能限制偏振光顯微鏡的分析能力。雖然更厚的樣品能增強(qiáng)色彩和對(duì)比度，但在顯微鏡應(yīng)用中這種方法不 yi 定 可行。

另一種方法是在樣品和檢偏器之間加一個(gè)補(bǔ)償器，提供恒定、已知的延遲量。四分之一,波片產(chǎn)生λ/4延遲，半波片產(chǎn)生λ/2，而全波片產(chǎn)生λ延遲。加入全波片后，正交偏振片下的視場(chǎng)將從幾乎全暗變成洋紅色。

這是因?yàn)榭梢?jiàn)光譜中點(diǎn)約為550 nm，全波片在這個(gè)波長(zhǎng)引入λ延遲，因此中間范圍的光被檢偏器阻擋，而其它波長(zhǎng)有不同的延遲而變成橢圓偏振，因此到達(dá)目鏡的光就是白光減去中間的綠光帶，形成洋紅色背景光。將雙折射樣品放進(jìn)光路后，整體的延遲效應(yīng)因?yàn)槿ㄆ鰪?qiáng)。

Soleil-Babinet連續(xù)可調(diào)補(bǔ)償器

==========geng 好 用的PLM分割線==========

Thorlabs zui,新 推出Cerna®雙折射成像顯微鏡，可用于測(cè)量晶體和液晶器件等平面樣品的延遲和快軸方向，也可用于觀察細(xì)胞。相比標(biāo)準(zhǔn)的偏振光顯微鏡，模塊化Cerna雙折射成像顯微鏡不僅更便于系統(tǒng)擴(kuò)展，而且利用液晶模塊 jing 確、穩(wěn)定地控制偏振并記錄強(qiáng)度圖像，快速完成高分辨率測(cè)量。

以上規(guī)格基于10倍物鏡的標(biāo)準(zhǔn)配置。

標(biāo)準(zhǔn)PLM由于需要旋轉(zhuǎn)樣品或偏振片而使測(cè)量比較耗時(shí)，而Cerna®雙折射成像顯微鏡則無(wú)需旋轉(zhuǎn)樣品。它通過(guò)液晶模塊設(shè)定幾種不同的線偏振或圓偏振照明光，依次經(jīng)過(guò)樣品、物鏡、圓偏振檢偏器和套筒透鏡后，使用單色相機(jī)記錄每種偏振下的強(qiáng)度圖像。

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