偏振光显微观察

Ockenga, Wymke; DeRose, James

十月 31, 2024

偏振光显微观察

导言

偏光显微镜通常应用于材料科学和地质学领域，根据矿物的折射特性和颜色来识别矿物。在生物学中，偏光显微镜通常用于晶体等双折射结构的识别或成像，或用于植物细胞壁中纤维素和淀粉粒的成像。

双折射是偏光显微镜的关键

双折射物体具有通过折射将单束光分成两束不同光的特性。双折射材料包括具有高度有序分子结构的材料，如方解石或氮化硼晶体。生物标本（如纤维素或淀粉）也具有双折射性。双折射与线性偏振光相结合，可用于显微镜观察，实现两束不同光线的干涉，从而产生色彩效果，如光环和结构发光。

了解更多有关双折射物体和 DIC 的信息。

页岩和碳酸盐岩的宏观至纳米级孔隙分析

页岩和碳酸盐岩等岩石的物理孔隙度对其储存能力有很大影响。孔隙的几何形状也会影响其渗透率。对可见孔隙空间进行成像，有助于了解物理孔隙空间、孔隙几何形状以及与储存和运输相关的矿物和有机物质阶段。

[Translate to chinese:] Mouse lung sections

肺纤维化研究

本文中所示结果表明，相比明场，使用偏振光可以更清晰地分辨小鼠肺组织中的胶原蛋白纤维化和非纤维化区域。为更好地理解促使瘢痕组织形成的肺纤维化，正常情况下会研究组织中的纤维化区域。分别使用明场和偏振光对小鼠肺组织中的胶原蛋白纤维化病变区域进行成像。成像胶原蛋白时，使用一般的染色法和明场显微镜很难区分纤维化和非纤维化区域。本文中使用偏振光对肺组织进行成像，两个区域呈现出非常明显的颜色差异。

[Translate to chinese:] Images of the same area of a processed wafer taken with standard (left) and oblique (right) brightfield illumination using a Leica compound microscope. The defect on the wafer surface is clearly more visible with oblique illumination.

显微镜不同观察方法下的快速半导体检测

已刻蚀的晶圆和集成电路（IC）在生产过程中的半导体检测对于识别和减少缺陷非常重要。

偏光显微镜的对准和光束路径

普通光学显微镜至少需要两个附加组件才能实现偏光显微镜观察。要检测双折射性，必须使用线偏振光照明。因此，必须在显微镜的光束路径中插入两个偏振滤光片。通过起偏器产生偏振光来照射试样，第二个偏振滤光片（称为检偏器）将检测到的光限制为折射光。

偏振滤光片必须互成 90° 角，才能达到所谓的 "全黑位置"。当偏振滤光片设置在这个位置时，没有光线会进入相机或目镜，图像将是暗的。设置为“全黑”是偏光显微镜的一个重要步骤，因为它可以确保只有因试样而导致偏振面发生变化的光线才是可见的。

图 1：偏光显微镜的原理：光通过起偏器偏振。通过起偏器后，光被聚光器聚焦到试样上。如果试样具有双折射性或含有双折射结构，则部分光线的偏振面会旋转 90°（草图中的红线表示）。试样的图像被物镜放大后，打到检偏器上。如果检偏器相比偏起偏器旋转 90°（即所谓的 "全黑位置"），则只有通过双折射材料的光才能被允许通过，观察者才能看到。因此，只有偏振结构可见。

起偏器和检偏器

当光线通过第一个偏振滤光片时，会产生线性偏振光。如果线性偏振光在正确的偏振面上通过双折射材料，则会产生折射并分成两束光线，其中一部分光线的偏振面会旋转 90°。如果第二个偏振器（检偏器）对齐正确（即相对于第一个偏振滤光片成 90°），折射光线就会通过第二个偏振器（检偏器）。因此，只有双折射材料才能在偏振光显微镜中产生图像。

重要的是，被检测的双折射材料的偏振轴与第一个偏振片产生的光处于同一偏振轴上。因此，许多偏光显微镜都配备了旋转平台，以确保物体的偏振面与第一偏振滤光片的偏振面容易对准。偏光显微镜的特殊应用可使用各种附件。

贝特朗透镜可用于对物镜后孔聚焦的晶体图案进行圆锥观察。此外，延缓板或补偿器可用于对双折射试样进行定量分析。

两片偏光片暗位 — 图 2：太阳光或灯泡产生的光是无偏振的。这意味着电磁波在所有方向上都会发生振荡。如果光通过起偏器，就会产生具有明确偏振的光，在这种情况下就是垂直偏振光。如果这束偏振光照射到检偏器，并且旋转了 90°，则不会有光通过检偏器。因此，如果两个偏振片相对转动 90°，它们就处于所谓的 "全黑位置"，因为在检偏器后面看不到光了。

偏光显微镜的应用

图 3：波罗的海琥珀中的苍蝇。虽然琥珀是一种无定形物质，理论上具有光学各向同性，但在偏振光下可以观察到内部应变造成的树脂流动结构以及夹杂物造成的应变。偏振光和一阶红色补偿器的使用使原本金黄的琥珀呈现出浓烈的色彩。暗场和入射光（玻璃纤维）、交叉偏振、一阶红色补偿器、HDRI 色调映射的组合。由瑞士伯尔尼瑞士宝石学会 Michael Hügi 提供。