德塞纳蒙DIC显微镜光学系统

2022-11-04 14:54:28 浏览:283

前言

尽管传统的微分干涉对比(DIC)光学系统通过平移Nomarski棱镜将偏置延迟引入波前场,但通过应用固定的Nomarski(或Wollaston)棱镜系统和由四分之一波长延迟板与偏振器或分析仪组成的简单de Sénarmont补偿器,可以实现相同的效果。本交互式教程探讨了de Sénarmont DIC显微镜光学序列中的波前关系,因为偏振片相对于延迟板的快速轴旋转。

 
 

 

教程说明

本教程使用偏振器和四分之一波长延迟板(共同包括一个de Sénarmont补偿器)的三维图像以及出现在窗口中的固定沃拉斯顿棱镜进行初始化。从窗口的左侧,一束非偏振白光入射在偏振片上。在通过偏振片(灰色圆盘)后,其透射轴由长黑色楔形指示,新兴的线偏振光定向,振动方向平行于四分之一波长延迟板的快速轴(由浅蓝色圆盘上的黑色楔形表示)。在这种配置中,de Sénarmont补偿器通过线性偏振光,在教程中用蓝色正弦波表示,并伴有跟踪电矢量振动方向的振荡黑色箭头。

离开de Sénarmont补偿器的线性偏振光进入沃拉斯顿棱镜,并被分成由普通波和特殊波组成的正交(相互垂直)分量。这些垂直波前被剪切并在沃拉斯顿棱镜中两个石英楔块之间的交界处交换身份。剪切的正交波前在遇到楔形边界时也会以非常小的角度发散(在教程中被大大夸大)。为了增强可视化,可以通过将鼠标光标放在任何组件上,然后将模型拖动到新位置,在窗口中旋转整个光学列车组件。

入射线偏振光相对于延迟(四分之一波长)板的方向可以通过将偏振器旋转滑块从其默认中心位置向右或向左平移来改变。当滑块向左移动(负值)时,在 1 度和 44 度的范围内,越来越多的光通过迟滞板的慢轴(由红色正弦波从蓝色圆盘上的红色楔形中退出表示)。最终结果是产生右旋椭圆偏振光。当滑块向右移动时,会出现相反的效果(正值;左手椭圆偏振光)。椭圆偏振光在本教程中由黑色箭头的三维轨迹表示,该轨迹跟踪每个波(快和慢)的各个电子元件的矢量和。

为了操作本教程,使用偏振器旋转滑块将不同量的偏置延迟引入光序列,然后将模型拖动到窗口中的不同位置,以查看通过系统的偏振波前的行为。可以通过从“平移正弦波”复选框中删除复选标记来停止正弦波,也可以通过单击“暂停”按钮来暂停整个教程。可以使用“速度”滑块增加或减少正弦波的速度(默认设置为中速),并且可以使用“重置”按钮重新初始化教程而无需重新加载。

传统的微分干涉显微镜光学系统包含一个位于聚光镜前面的偏振片和一个插入物镜上方通路的分析仪(第二偏振片),通常在中间管中或与物镜Nomarski棱镜组合在框架中。偏振器的方向是振动平面传输轴位于东西方向,而分析仪相对于偏振器交叉(传输轴为南北向)。离开偏振器的线性偏振光被安装在虹膜光圈孔共轭焦平面附近的聚光镜中的Nomarski棱镜分成两个组件。入射波前被棱镜剪切成正交偏振分量,由聚光镜光学系统平行,然后用于照亮样品。

位于光路物镜后面的是第二个Nomarski棱镜(通常安装在可调节的滑动框架中),用于在后孔径的共轭平面中重新组合剪切波前,它们被物镜收集和聚焦。来自复合波前的圆形和椭圆偏振光分量通过分析仪,随后受到干涉,在显微镜中间图像平面上产生DIC图像。

 

德塞纳蒙DIC显微镜光学系统

图 1- 德塞纳蒙补偿器波前

 

在完全对准的DIC显微镜中,聚光镜棱镜由聚光镜和物镜组件成像到物镜上,以便波前剪切在棱镜表面的每个点上匹配,这些点彼此倒置。沿剪切轴(垂直于显微镜光轴)平移任一棱镜会产生在整个显微镜孔径上均匀的波前失配。通过棱镜的平移将普通波前相对于非凡波前的相位位移移通常称为DIC显微镜中偏置延迟的引入。当其中一个Nomarski棱镜横向移动(通常是客观棱镜)时,对背景的贡献波前对变得越来越迟缓并且彼此异相。因此,从Nomarski棱镜出来的光的偏振矢量方向可以从线性(无平移),通过不同程度的椭圆,甚至到圆形。

在DIC光学系统中引入偏置延迟会导致样品中相位梯度的强度(幅度)水平发生变化,从而导致生成与方向相关的明亮高光和叠加在较浅背景上的暗影。强度梯度沿聚光镜和物镜的剪切轴出现,当在目镜中观察到标本时,通常看起来起源于 45 度角(西北到东南,反之亦然)。在显微镜光轴上向一个方向或另一个方向移动棱镜将改变正交波前之间的相位关系,从而逆转标本中的阴影投射方向。最终结果是以伪三维浮雕渲染样品图像,其中光程长度增加的区域(倾斜相位梯度)看起来更亮或更暗,而那些表现出递减光程的区域则相反。

引入偏置延迟的另一种技术越来越受欢迎,是在偏振器和聚光镜棱镜之间以固定方向安装四分之一波长延迟板(如上所述,称为de SénarmontDIC补偿)。在最大消光(未施加偏置的匹配棱镜;见图1(b))时,延迟板的快速轴与偏振片的透射轴对齐。两个光学单元可以(并且经常)包含在显微镜底座上的同一外壳中。在配备适当中间管的显微镜中,de Sénarmont补偿器的替代位置是在物镜和分析仪之间。

为了使用de Sénarmont补偿器引入偏置,偏振片传输轴相对于延迟板的快速轴旋转(最多正负45度;见图1(a)和1(c)),其相对于分析仪传输轴保持90度角。当补偿器快速轴与偏振器的传输轴重合(平行)时,只有线偏振光通过de Sénarmont补偿器到达聚光镜棱镜,如图1(b)所示。然而,当偏振片透射轴旋转时,从四分之一波长延迟板出来的波前变得椭圆偏振。在一个方向上旋转偏振片将产生右旋椭圆偏振光(图1(a)),而向另一个方向旋转偏振片将改变矢量轨迹以产生左旋椭圆扫描(如图1(c)所示)。

 

德塞纳蒙DIC显微镜光学系统

图2-德塞纳蒙DIC显微镜中的偏置延迟

 

当偏振片透射轴的方向达到正负45度(相当于四分之一的延迟波长)时,通过补偿器的光变得圆偏振(同样是左手或右手)。由于椭圆或圆偏振光表示从de Sénarmont补偿器产生的普通波前和特殊波前之间的相位差,因此当波前进入聚光镜Nomarski分光镜棱镜并发生剪切时,会向系统引入偏置(图2)。当偏振片沿一个方向旋转时获得正偏置,而负偏置则通过向相反方向旋转偏振器而引入。de Sénarmont补偿器引入的延迟量可以根据以下公式定量确定:

Retardation (in nanometers) = θλ/180

其中θ是偏振片透射轴相对于延迟板快速轴的旋转角度(以度为单位计算),λ是穿过补偿器的光的平均波长。在卤钨照明的情况下,对于涉及偏置延迟的计算,波长通常约为550纳米。使用 de Sénarmont 补偿器,可以轻松测量 20 分之一和全波长之间的偏置延迟值,精度为 0.15 纳米。

图 2 显示了 de Sénarmont 补偿器引入 DIC 光学系统的偏置延迟的影响,用于补偿器的三种设置。图2中提供的所有示例都显示了进入沃拉斯顿棱镜中心部分的单个波前,但Nomarski棱镜将以相同的方式工作。当偏振片透射轴平行于四分之一波长延迟板的快速轴对齐时(图1(b)和2(b)),线性偏振光从补偿器出来并入射到聚光镜Wollaston棱镜的下楔形表面上(如图2(b)所示)。在DIC显微镜中,入射线偏振光与沃拉斯顿(或Nomarski)棱镜下楔形分量的快轴和慢轴成45度角。进入棱镜后,偏振光被分成正交分量,这些分量穿过下石英楔的快轴和慢轴,并在两个棱镜楔块之间的边界处被剪切。由于线性波前在进入棱镜时作为单相存在,因此正交分量在空气石英边界产生时最初是同相的,但在棱镜内会发生相移。

如前所述,在两个楔块之间的交界处交换恒等式后,沃拉斯顿棱镜下部普通波前的相位增益在上楔块中偏移。最终结果是消除了棱镜内部产生的相移,并且正交波前从沃拉斯顿棱镜中彼此同相出现(图2(b))。在这种情况下,光学系统表现出最大消光,并且仅可见样品中存在的大相梯度。这些相位梯度叠加在非常暗或黑色的背景上,并呈现出暗场图像的外观。

当偏振片在德塞纳蒙补偿器中远离零点位置向任一方向旋转时,情况就完全不同了。从补偿器产生的波前表现出相移,赋予正交波分量的矢量总和椭圆形或圆形特征。当偏振片向左旋转30度时(负偏置延迟;图2(a)),由de Sénarmont补偿器产生的普通波前在非凡波前之前进入沃拉斯顿棱镜,并在交换身份后退出棱镜作为普通波前之前的非凡波前。基本结果是产生光程差,这是引入偏置延迟所必需的。当de Sénarmont偏振片向右旋转(正偏置延迟)时,会发生相反的效果(图2(b)),并且普通波前在非凡波前之前从沃拉斯顿棱镜出现。

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