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尼康显微镜告诉你,什么是偏光显微镜?

2013-11-18  发布者:admin 

 偏振光是一个对比度增强技术,提高得到的双折射材料,当相对于其他技术,如暗视野,明视野照明,微分干涉对比,相衬,霍夫曼调制对比度,和荧光的图像的质量。 偏光显微镜有高度的敏感性,并可以用于定性和定量的研究,针对广泛的各向异性标本。 定性偏光显微镜是非常流行的做法,与众多卷专门讨论这个问题。 与此相反,偏光显微镜,它在结晶学中,主要采用的数量方面代表地质学家,矿物学家和化学家通常限制为一个更加困难的课题。 然而,在过去几年取得了稳步发展已启用的生物学家研究很多各向异性亚细胞组件的双折射字符。

偏振光显微镜来观察和拍摄标本,是可见的,主要是由于它们的光学各向异性的字符。 为了完成这一任务,必须在显微镜配有偏振器 ,定位在光路中的某个地方之前的试样分析仪 (第二偏振片,参见图1)之间的物镜的后孔中的光学路径下观察管或相机端口。 从平面偏振光的双折射 (或由双折射)试样产生两个单独的,各自在相互垂直的平面偏振波分量的相互作用而产生的图像对比度。 ,这被称为普通特殊的波阵面(图1),这些组件的速度是不同的,不同的传播方向通过试样。 退出后的试样,成为光分量的相位,但再结合和相消干涉时,通过分析仪。 双折射标本假设所产生的波前场图1中列出了这些概念。 此外,关键的一个现代的偏振光显微镜的光学和机械部件,图中示出。

偏光显微镜能够提供吸收的颜色和不同的折射率,在类似的方式明照明矿物的光路之间的边界的信息,但该技术还可以区分各向同性和各向异性的物质。 此外,对比增强技术利用特定的各向异性的光学性质,并揭示了详细的信息有关的结构和组成的材料,是非常宝贵的识别和诊断的目的。

各向同性材料,其中包括各种气体,液体,重读眼镜和立方晶体,证明在各个方向探测时相同的光学性能。 这些材料只有一个折射率和不通过的光的振动方向限制。 与此相反,各向异性材料,其中包括90%的所有固体物质,随晶轴的方向入射的光的光学性能。 它们表明取决于通过物质和光的传播方向上的振动平面坐标的范围内的折射率。 更重要的是,作为分束器和各向异性材料划分成两个正交分量(在图1中示出)的光线。 偏光显微镜的技术,利用分割光线的干扰,因为它们被重新团结沿相同的光路中提取有关各向异性材料。

偏光显微镜也许是最出名的是其应用在地质科学,主要侧重于研究矿物岩石薄切片。 然而,各种各样的其他材料可以很容易地检查在偏振光中,包括天然的和工业矿物,水泥复合材料,陶瓷,矿物纤维,聚合物,淀粉,木,尿素,和生物大分子的结构组件的主机。 该技术可用于定性和定量的成功,是一个出色的工具,材料科学,地质,化学,生物,冶金,医药。

虽然偏光显微镜分析技术的理解可能比其他形式的显微镜或许更加苛刻,这是非常值得追求的,只是为了增强信息,可以得到超过明场成像。 偏振光显微镜的基本原则的意识也是必不可少的微分干涉相差(DIC)的有效的解释。

偏振光的基本属性

光的波动模型描述成直角所有同样有可能发生的振动方向与传播方向振动的光波。 这是被称为“共同”或“非偏振白光。 在平面偏振光,只有一个振动方向(图1)。 人的眼脑系统没有光的振动方向的敏感性,,平面偏振光只能检测佩戴偏光太阳眼镜时的强度或色彩效果,例如,通过降低眩光。

是最常见的具有在二色性介质中的一组特定的振动方向的光的吸收产生的偏振光。 某些天然矿物,如碧玺,拥有此属性,但很快在1932年发明的埃德温·H.土地医生合成电影超越了所有其他材料为介质生产平面偏振光的首选。 细小的晶粒,硫酸iodoquinine,在相同的方向上取向,被嵌入在一个透明的聚合物薄膜,以防止迁移和重新调整的结晶。 土地开发的片材含有宝丽 ,这已成为公认的通用术语,这些片以商品名销售的偏振膜。 任何设备能够选择平面偏振光自然(非偏振光)白光现在被称为一个极性偏振片 ,这个名字在1948年首次推出AF哈里蒙德的。 今天,偏光片被广泛用于液晶显示器(LCD),太阳镜,摄影,显微镜,和无数的科学和医学目的。

有两个偏振滤光器,在偏振显微镜 - 被称为偏振器和分析器(参见图1)。 样品载物台通常具有振动方位固定在左到右,或东 - 西的方向的位置下方的偏振片,虽然这些元素可旋转360度。 面向北南,但在某些显微镜再次转动与振动方向一致,通常,该分析仪被放置在物镜上方,并且根据需要,可以移进和移出光路。 当分析仪和偏振器被插入到光路中,其振动方位角彼此成直角的位置。 在此配置中,偏振器和分析器,所述交叉,通过该系统和暗视场目镜中,没有光通过。

对于入射光的偏振镜,偏振器被定位在垂直照明器和分析仪被放置的半反射镜的上方。 刻度是最受欢迎的可旋转的偏振器,分析仪时,通常是固定的进入位置(先进的模型,虽然可旋转的90度或360度),以指示传输方位角的旋转角度。 偏光显微镜偏光器和分析仪的重要组成部分,但其他可取的特点包括:

  • 专门载物台 -以360度的圆形旋转样品台,以便定向研究与中心定位的物镜和与显微镜的光轴的旋转中心一致的视场的中心阶段。 专为偏振光显微镜的许多阶段还包含一个游标尺,旋转角度,以便可以测量,精确到0.1度。 锥光图像的先进的研究,具有多个旋转轴的一个普遍的阶段也可以被采用,以使从任何方向观察试样。

  • 应变的物镜 -在偏振光下,一个因素,可能会损害性能,在组装过程中引入一个物镜的玻璃的应力,可以产生杂散光的影响。 偏光观察设计的物镜是区别于普通的题词P,PO,POL桶的物镜。 一个物镜的性能是有限的几个因素,包括用于在透镜表面上的防反射涂层,由于前透镜上的入射光角度的折射特性。 此外,透镜应变可以引入上面的水泥的透镜组中的元素之间的交界处,或从一个单一的或一组帧中已被安装得太紧的镜头。

  • 定心物镜转换器 -由于物镜光轴位置变化从一个组件到另一个,许多偏振光显微镜都配备一个专门的物镜转换器,包含一个围绕个人物镜的机制。 这使得中心,使试样的功能保持的阶段时,在视场的中心旋转360度的阶段和显微镜光轴相对于每一个物镜。

  • 应变免聚光镜-聚光镜设计的偏光显微镜具有一些共同的特点,包括使用的菌株的分类镜片。 部分聚光镜都配备了偏振器的插座或偏振元件直接安装到聚光镜中,下方的孔径光阑。 许多偏振光聚光镜有一个顶部的镜头,可以删除( 摆动透镜聚光镜)从光路,以产生几乎平行的照明的波阵面为低倍率和双折射观测。

  • 都配有一个十字线十字线(或网格),以纪念的中心视场目镜 -偏光显微镜目镜。通常情况下,在十字丝分划板为显微摄影的标线片,有助于聚焦在试样和一组帧被捕获数字或胶片上的边界区域的视取景取代。 的的目镜相对于偏振器和分析器的取向是保证由点针滑入观察筒套筒。

  • 勃氏镜 -安装在中间管或观察管内的一个专门的透镜,伯特兰透镜投射的物镜聚焦显微镜图像平面的后侧焦点面形成的干涉图。 该透镜的设计,以便能够方便地检查的物镜的后侧焦点面,这样可以准确地调整的照明孔径光阑,可以查阅干扰的数字,在图2中提出的那些类似。 请注意,在图2中(a)和图2(b)中,干扰图案表示所观察到的具有单轴晶体的极化光,而图2中的模式(c)是典型的单轴晶体与一阶相位差板插入成的光学路径。

  • 补偿器和相位差板 -许多偏振光显微镜包含的时隙之间的交叉的偏振器,这是用来提高试样中的光程差补偿器和/或相位差板,以允许插入。 在大多数现代的显微镜设计,该插槽被放置在显微镜的物镜转换器或中间管位置之间的身体和目镜管。 补偿板插入到插槽中,然后试样和分析仪之间。

偏光显微镜,可以用来反映(事件或外延 )和透射光。 反射光为不透明的材料,如陶瓷,矿物氧化物和硫化物,金属,合金,复合材料,硅晶片(见图3)的研究是有用的。 反射光技术需要一组专用的物镜尚未修正通过覆盖玻璃观看,那些偏光工作应该还可以应变。

图3中所示的是一系列的反射的偏振光显微照片,利用这种技术成像的典型标本。 在左侧(图3(a))是数字图像中,一个微处理器集成电路露出的表面特征。 双折射元件的制造中的电路是清晰可见的图像,显​​示芯片的算术逻辑单元的一部分。 玷污表面的陶瓷超导晶体(铋基地)在图3(b),它显示了双折射干涉色穿插晶界的结晶区域。 金属薄膜也可见反射的偏振光。 图3(c)示出水泡,形成不完善另有汇合的铜薄膜(厚度约0.1微米),比镍/氯化钠衬底上以形成金属超晶格组件夹持。

仔细标本的准备是必不可少的偏振光显微镜的好成绩。 方法的选择将取决于不同的材料的研究。 在地质应用中,岩石薄片部分的标准厚度为25-30微米。 标本可以与孕镶金刚石车轮地上,然后手工完成正确的厚度,使用磨料粉先后降低粒度。 将最后样本应该有一个具有光学透明粘合剂胶合玻璃盖。 较软的材料,可以制备生物样品用切片机类似的方式。 一个40微米厚的切片用于透射光观察。 这些应该是应变和免任何刀痕。 生物和其他软试样固定在滑动和使用的安装介质,其组成将依赖于试样的化学和物理性质的玻璃盖。 这是在这个研究中合成的聚合物,一些媒体可以发生化学反应的材料正在研究并引起降解的结构变化(工件)特别显着。

在光学显微镜偏振光表现

不同级别的信息可以得到在平面偏振光(分析仪从光路中除去)或具有交叉的偏振器(插入到光路中的分析仪)。 平面偏振光的观测揭示细节的光学救灾的标本,这是表现在边界的知名度,并增加折射率。 安装粘接剂和被检体的折射率的差异,确定在何种程度上的光被散射,因为它从试样表面不均匀。 材料与高浮雕,这似乎从图像中脱颖而出,是略有不同的安装介质的折射率。 浸入式折光率是用来测量物质具有未知的折射率的油的比较,与公知的折射率。

透明或半透明的材料在平面偏振光考试将类似于那些在自然光,直到样本显微镜的绕光轴旋转。 然后,观察员可以看到的亮度和/或材料的颜色被检查的变化。 多色性 (一个术语,用来描述与振动方向的光吸收颜色的变化)的方向取决于在光路中的材料,是仅适用于各向异性材料的特殊性。 材料显示多色的一个例子是青石棉,俗称蓝石棉。 多向色性的效果,可以在各种各样的材料的识别。

偏振颜色从分裂由各向异性试样的光的两个组成部分的干扰的结果,可能被视为白光减去破坏性干扰的那些颜色。 图2示出了观察到的物镜的后侧焦点面的单轴晶体的锥光图。 干涉图案形成有由沿不同的轴被观察到的晶体的光线。 单轴晶体(图2)显示包括两个相交的的黑条(称为isogyres),可以形成一个马耳他十字状图形的干涉图案。 当照明用白色光(偏光),双折射标本产生干扰颜色的圆形分布(图2),圈内称为isochromes,包括越来越低阶的颜色(见米歇尔-列维干扰的彩色图表,图4)。 为黑色交叉的isochromes的一个共同的中心称为melatope,表示沿晶体的光轴的光线的原点。 双轴晶体显示两个melatopes,(图中未示出)和一个更为复杂的图案的干涉环。

的两个正交分量的光(普通和特殊波)的旅游通过试样和经验不同的折射率,以不同的速度被称为双折射性的现象。 定量测量的双折射是波前像差的折射率的数值之间的差异。 首先从试样出现的更快的光束的光程差(OPD),可被视为在较慢的“中标保证金”。 该分析仪只有重新组合元件在相同的方向上行进,并在同一平面上振动的两束光束。 的偏振片确保两个光束具有相同的幅度,在重组时为最大的对比度。

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偏光片旋转和双折射

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探索如何标本双折射偏光角度偏振光显微镜观察时受。

和相消干涉的光穿过分析仪之间发生的正交分量,根据试样的光的波长,它可以从偏振的颜色的顺序确定的光程差。 这种效应依赖于试样的性能,包括两个相互垂直的梁,具有最大值依赖于试样上的光的传播方向通过试样的折射率和双折射之间的厚度差。 光程差,可以用来从试样中提取有价值的“倾斜”信息。

偏振光的颜色信息是叠加在​​亮度分量。 作为试样相对旋转偏振片,偏振颜色的强度发生周期性变化,从零( 消光 ,图5的(d))的最大亮度在45度(图5(a),然后回落到为零后的90度旋转,这就是为什么一个旋转的阶段,中心定位中所提供的偏振光显微镜,它是用于确定试样的定量方面的关键要素。偏心的目的和阶段确保该阶段的旋转中心视场的中心相一致,以保持旋转时试样的正中心。

每当该标本在灭绝,允许的振动方向的光通过偏振器或分析仪的平行。 这个事实可以与试样的几何特征,如纤维长​​度,薄膜挤出方向和晶体刻面。 正交偏振光照明,各向同性材料可以很容易地区别于各向异性材料,因为他们永远保持在灭绝(保持黑暗)时,通过360度旋转舞台。

要协助的快和慢的波阵面的识别,或提高对比度时,偏振的颜色是低的顺序(如深灰色),配件相位差板或补偿,可以在光路中插入。 这些将导致在试样的颜色变化,这可以解释用偏振颜色图表( 米歇尔征收图表的帮助下,参见图4)。 这些图表说明了极化颜色的光程差从0至1800-3100纳米具有双折射和厚度值。 波片产生它自己的光程差,这是添加或减去试样。 当光通过第一通过试样,然后在附件板,波片和试样的光程差被加在一起,或另外一个相减的方式中,两个种族连续运行的“获奖边距”指的是。 它们被添加时,缓慢的试样和相位差板的振动方向是平行的,并减去时快时的振动方向的试样附件板与缓慢的振动方向相一致。 如果慢速和快速方向的相位差板(它们通常是市售板的衬纸上标记)是已知的,然后可以推断试样。由于这些方向是针对不同媒体的特点,他们是非常值得确定的方向和应力研究是必不可少的。

应用偏光显微镜

偏光显微镜的优势才能最好地说明通过检查特定的案例研究和及其相关的图像。 本节中所示的图像记录了奥林巴斯BX51显微镜配备偏光配件,仪器专为分析调查研究级。 如上所述,偏光显微镜是利用在广泛的学科,包括医学,生物学,地质学,材料科学,以及食品工业。 交叉的偏振器之间,可随时检查标本源自多种天然和合成来源的包括痛风的结晶,淀粉样蛋白,肌肉组织,牙齿,矿物质,固态晶体,液晶,纤维,脂肪,玻璃,陶瓷,金属,合金,等等。

痛风晶体鉴定

偏振光显微镜的最常见的医疗应用之一是识别的痛风的结晶(尿酸钠)与一阶相位差板。 这种做法是如此普遍,许多显微镜制造商提供他们的实验室医师明视场显微镜,可以购买痛风套件附件。 痛风是一种急性,复发性疾病引起的尿酸盐结晶沉淀和特点,主要是在脚和手关节疼痛发炎。 在实践中,新鲜的滑膜液数滴在显微镜载玻片和盖玻璃之间夹持密封指甲油,以防止干燥。 已编制后的试片,检查交叉的偏振器之间的光路中插入一阶相位差板。

尿酸钠晶体生长在细长的棱镜,具有负的双折射的光学符号,产生黄色的干涉色(减法)时,晶体的长轴平行取向的一阶相位差板的慢轴(图6(一个))。 旋转90度的晶体通过改变干涉色为蓝色(除了颜色,图6(b))。 与此相反,假性痛风的焦磷酸盐晶体,它们具有类似的细长的生长特性,表现出蓝色的干涉色(图6(c))时,相位差板的慢轴和一个黄色的颜色(图6(2)的取向平行于)当垂直。 可以采用双折射的符号来区分痛风的晶体组成的焦磷酸。 痛风,也可以识别与偏振光显微镜在从四肢制备的人体组织的薄切片。 偏振光在医疗领域中也是有用的,识别淀粉样蛋白的蛋白质代谢缺陷创建的,随后沉积在一些器官(脾,肝,肾,脑),但在正常组织中没有观察到。

偏光显微镜的优势才能最好地说明通过检查特定的案例研究和及其相关的图像。 本节中所示的图像记录与尼康的Eclipse E600显微镜配备偏光配件,专为分析调查研究级显微镜。

石棉纤维的识别

石棉是一组天然存在的矿物纤维,已被广泛地用作绝缘材料,刹车片,并和钢筋混凝土的通用名称。 吸入时,这些材料可以是对人体有害的,重要的是,它们在环境中存在很容易地确定。 标本通常使用扫描电子显微镜和X-射线微量分析筛选,但偏光显微镜提供了一种更快,更容易,可以利用区分石棉等纤维之间的主要类型包括石棉,温石棉,青石棉,铁石棉的替代品。 从医疗保健的角度来看,它被认​​为比蛇纹石,温石棉,角闪石石棉衍生物(青石棉和铁石棉)是更为有害的。

平面偏振光提供有关毛纤维的形态,颜色,多色性,折射率。 是各向同性的玻璃纤维和其他人将不受影响下旋转平面偏振光,而石棉纤维会显示一些多色性。 温石棉纤维可能会出现皱折,像烫过或受损的头发,在平面偏振光,而青石棉和铁石棉,直或稍弯曲。 温石棉为约1.550的折射率,而铁石棉为1.692,和青石棉具有最高值1.695。 需要注意的是比温石棉的石棉产品的折射率值要高得多。

交叉的偏振器的使用,有可能推导出允许的,因为它通过试样的光的振动方向,并与一阶相位差板的慢速和快速的振动方向(图7),判定可确定。 在正交偏光下,温显示干扰苍白的颜色,这基本上仅限于低阶白人(图7(a))。 当添加一个一阶相位差板(相位差值的一个波长,或530-560纳米),纤维的种转化。 如果光纤对准西北东南亚,相位差板是添加剂(图7(b)中的白色箭头),并产生主要是黄色的减色法在纤维的干涉色。 当光纤对准东北 - 西南(图7(c)),该板块是添加剂,以生产高阶的蓝色色调的纤维,有没有黄色的色调。 从这个证据是可能推断出缓慢的相位差板的振动方向(由图7(b)和图7(c)中白色箭头表示)是与纤维的长轴平行。 铁石棉在这方面是相似的。

石棉显示蓝色,多色性,和阴暗棕色的极化颜色。 该纤维的长轴平行的快速振动。 综上所述,三个石棉纤维类型的识别取决于形状,折射率,多色性,双折射,快与慢的振动方向。

揭开历史的岩层

千枚岩 -以及提供信息组件矿物质,使用偏光显微镜能揭示岩石如何形成一个很大的地质超薄切片检查。 千枚岩,变质岩,清楚地示出的热量和压力的影响下,晶体的取向。 小规模的褶皱的平面偏振光图像中是可见的(图8(a)),并且更清楚地定义在交叉的偏振器(图8(b))的一阶相位差板带和不带。 正交偏光图像显示,有多种矿物质,包括灰色和白色石英和云母高阶颜色。 云母的对齐方式是显而易见的。 另外的一阶相位差板(图图8(c)),提高了明确的定义图像中的对比度。

鲕状岩 -鲕粒,紧凑二氧化硅硅质鲕凝成一个浅灰色的岩石组成,在海里形成的。 矿物的名称来自其结构的相似性,更好地称为鱼子酱的鱼子。 鲕滩组合的形式在海上,当沙粒滚动的碳酸钙或其他矿物质的床温柔的电流。 这些矿物质沙粒周围建立和随后的胶结转换成连贯的岩石颗粒。 薄切片显示原来的石英核(图9(AC))发生碳酸盐矿物的堆积。

在平面偏振光(图9(a)),石英是几乎看不见的水泥具有相同的折射率,而碳酸盐矿物,具有不同的折射率,高对比度的显示。 交叉偏振图像(图9(b))揭示了灰色和白色的石英颗粒和碳酸钙特征饼干色,高阶白人。 在某些芯的石英颗粒揭示了的基团,这些是多晶和变质石英岩​​颗粒。 当一阶相位差板被插入到光路中(图9的(c)),光程差变得显而易见的试样中,并增强对比度。

天然和合成聚合物

聚合物熔体在凝固过程中,有可能是某些组织的聚合物链中,一个过程,通常是取决于退火条件。 当发生成核,合成高分子链往往安排自己切线和径向凝固地区增长。 这些可以看出,在正交偏振光照明,为白色区域,称为球晶的,具有明显的黑色消光交叉。 这些球晶撞击时,它们的边界变成多角形。 这可以清楚地看到,在交叉的偏振器,但是没有在平面偏振光。

加的一阶相位差板(图10(a))确认的切向排列的聚合物链。 在这些球粒表示带发生缓慢冷却熔体,使聚合物链螺旋成长。 这几乎是不可能的热历史信息收集任何其他技术。 在聚合物熔体中的成核可以发生意外污染或成核表面接触的结果,可能会导致大幅度弱化的产品。 标识可以是一个有价值的核援助的质量控制。

其他聚合物可以是双折射的(图10(b)中示出的聚碳酸酯试样证明),并且不显示大量的二级或三级结构。 在其他情况下,生物和合成的聚合物可以进行一系列的感胶离子的或热致变液晶相变,而这往往被观察和记录,可在偏振光显微镜。 图10(c)表示的双折射的柱状hexatic的的液晶相表现出由棒状的DNA分子在水溶液浓度非常高(超过300毫克/毫升)。

尼龙纤维 -平面偏振光下观察(图图11(a))揭示了尼龙纤维和安装介质,不透明的二氧化钛颗粒的存在下的折射率之间的差异。正交偏光下的影像(图图11(b))揭示了二阶和三阶极化的颜色和其分布在整个纤维表明这是一个圆柱形的,而不是一个有用的叶状纤维机械强度的预测。使用石英楔(图图11(c)),使双折射测量光程差的测定。

总之,偏光显微镜提供了大量的有关组合物和各种样品的三维结构的信息。在其范围几乎无限的,该技术可以揭示热历史和形成过程中的试样进行应力和应变的信息。有用的制造和研究,偏光显微镜是一种相对便宜的和可访问的调查和质量控制工具,它可以提供与任何其他技术的信息不可用。