偏光對比顯微成像入門

偏光顯微鏡通常應用于材料科學和地質學領域，根據礦物的折射特性和顏色來識別礦物。在生物學中，偏光顯微鏡通常用于晶體等雙折射結構的識別或成像，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構的材料，如方解石或氮化硼晶體。生物標本（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合，可用于顯微鏡觀察，實現(xiàn)兩束不同光線的干涉，從而產生色彩效果，如光環(huán)和結構發(fā)光。

偏光顯微鏡的對準和光束路徑

普通光學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"。當偏振濾光片設置在這個位置時，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構，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 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構才是可見的。

起偏器和檢偏器

當光線通過第一個偏振濾光片時，會產生線性偏振光。如果線性偏振光在正確的偏振面上通過雙折射材料，則會產生折射并分成兩束光線，其中一部分光線的偏振面會旋轉 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 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，理論上具有光學各向同性，但在偏振光下可以觀察到內部應變造成的樹脂流動結構以及夾雜物造成的應變。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 色調映射的組合。由瑞士伯爾尼瑞士寶石學會 Michael Hügi 提供。

圖 4：鈷，冷軋，貝拉哈刻蝕，偏光。微觀結構形態(tài)的檢查在材料科學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偏振，往往可以增強顏色對比度和特定的微觀結構形態(tài)。由德國普福爾茨海姆大學的 Ursula Christian 提供。

圖 5：用偏光顯微鏡拍攝的酒石酸晶體。酒石酸是一種天然存在的二元醛羧酸，主要存在于葡萄中。

圖 6：用偏振顯微鏡拍攝的用巴克試劑蝕刻的鋁（Al）合金圖像。通過偏振光可以看到蝕刻后的鋁合金晶粒。

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