偏振照明

2021-04-16 16:02:22 浏览:1172

定义

偏振照明(Polarized light illumination)是一种利用偏振光照射样品从而通过其光学各向异性特征来提升图像对比度的显微照明方法。

照明原理

一束单色的自然光人射在各向同性介质界面时,按照折射定律,折射光只有一束。但当在各向异性晶体界面上折射时,一般有两束折射光,这种现象称为双折射[1]。下面用方解石晶体来说明这一现象,天然方解石晶体的外形为平行六面体,如图1所示,每面都是菱形,且每个菱面都具有 102°和78°的一对角度。由三面钝角组成的一对钝顶角称为钝隅。由于方解石的双折射特性,晶体中的折射光分成两支,所以通过方解石观察物体时以看到两个像。

 

图 1 方解石晶体

方解石的双折射现象研究表明,晶体中的两条折射光线中,一条的折射行为遵循折射定律,即不论入射光线方位如何,折射光线总在人射面内,且入射角的正弦与折射角的正弦之比为常数,因此称这条折射光线为寻常光线或O光线;另一条折射光线则不同,一般情况下,入射角的正弦与折射角的正弦之比不是常数,且折射光线往往不在入射面内,即不遵守折射定律,称它为非常光线或e光线。进一步用检偏器来检验这两支光的偏振态,发现均为线偏振光。

光轴是晶体中存在的一个特殊方向,当光在晶体中沿此方向传播时不产生双折射现象。显然,在晶体中凡是与此方向平行的任何直线都是晶体的光轴。实验指出,当方解石的各棱等长时,相对的两个钝隅的连线就是光轴的方向(见图1), 当光在方解石内沿这一方向传播时,o、e光的传播方向相同,其传播速度也相同,不产生双折射[1]

通常把光线在晶体中的传播方向与光轴组成的平面称为该光线的主平面。称光轴和晶面法线组成的面为晶体的主截面。当光线在主截面内入射,即入射面与主截面重合时,此时o、e 光都在该平面内,该面也是o、e 光的共同主平面。一般情况下,两主平面并不重合。实际使用时,有意选取入射面与主截面重合的情况。

平面偏振光与双折射样本的相互作用,从而产生两个单独的波分量,每个分量在相互垂直的平面中偏振[2]。如图2所示,这些成分的速度是不同的,并且随着穿过样本的传播方向而变化。离开样品后,光成分彼此异相,但当它们通过检偏器后,它们会受到相长和相消干涉的重新组合,因此会产生图像间的对比度。

图 2 交叉偏振片之间的双折射晶体 

当偏振光通过双折射样品时,o、e 光之间的相位差会随所使用的样品的厚度和使用的波长而变化。光程差为:

其中为双折射样品o光和e光之间的折射率差,t为样品的厚度。那么光程差导致的相位差为:

如果产生的光程差是,相位差为π ,那么偏振方向会垂直于原偏振方向,那么光线都可以通过和原方向正交的检偏器。如果光程差是nλ ,相位差为2nπ ,那么偏振发那个像会和原方向平行,意味着光线无法穿过和原方向正交的检偏器。

在圆偏振光显微镜载物台上将各向异性样品进行调焦并旋转360度时,将根据旋转角度依次出现明暗变化[3]。当样品长轴与偏振器轴成45度角取向时,将获得最大的亮度,并且当两个轴重合时将观察到最大的消光度。在360度范围内旋转期间,标本可见性将以90度为增量在明暗之间摆动四次。这是由于以下事实:当偏振光以平行于光轴的振动方向入射双折射样品时,照明光线的振动方向将与样品的主轴重合,并且将呈现各向同性(暗或消光)。如果将样本方向改变45度,则入射光线将被样本分解为普通成分和非常成分,然后通过检偏器后以产生干涉图样,因为仅当偏振光线具有相同的振动方向时才发生干涉。检偏器振动平面中重组白光之间的干涉通常会产生颜色光谱,这是由于白光的相消干涉而产生的剩余互补色所致[4]。一般称为米歇尔·利维图(以奥古斯特·米歇尔·利维命名)。如果样品厚度均匀,则只有一个特定的波长将满足上述条件,并且垂直于检偏器的方向,这个特定波长的光将被滤除。该信息可以通过多种方式使用:

如果双折射已知,则可以确定样品的厚度t;如果厚度已知,则可以确定样品的双折射。

随着光程差的增加,则更有可能从光谱中滤除更多波长的光。这导致多种颜色的光被去除,并且变得更加难以确定样品的性质。但是,仅当样品与光的波长相比相对较厚时,才会发生这种情况。

图 3 米歇尔·利维图

照明特点

偏振光显微镜用于区分单折射(光学各向同性)和双折射(光学各向同性)介质。各向异性物质,例如单轴或双轴晶体,定向聚合物或液晶,在偏振光显微镜中会产生干涉效应,从而导致通过目镜观察并捕获在胶片上或以数字图像[5]。该技术对于在天然和合成聚合物及相关材料中以晶格排列或通过长链分子相互作用取向的双折射介质的取向研究很有用。在偏振光中还研究了透明单折射介质(例如玻璃)中的应力,以及通过其折射率和双折射来识别和表征各种各向异性的物质[6]

图 4 交叉偏振光照明和明场照明

图4中展现了交叉偏振光照明(a)和明场照明的对比(b),可以发现偏振光照明增强了图像的对比度,图像的对比度来自于偏振光通过样品之后偏振方向的旋转。

参考文献

[1] 工程光学 [M]. 机械工业出版社,郁道银,谈恒英, 2017
[2] 诸波尔,李思坤,王向朝,戴凤钊,唐锋,段立峰.基于多偏振照明的浸没式光刻机投影物镜高阶波像差快速检测技术[J].光学学报,2018,38(07):143-151.
[3] Famin Wang,Yun Xiao,Wei Huang,Yunhai Zhang,Mingming Zhao. Three-dimensional resolution enhancement in confocal microscopy with radially polarized illumination using subtractive imaging[J]. Optics Communications,2020,458.
[4] 蔡燕民. 光刻机偏振照明系统偏振态测量实验结果[C]. 中国光学学会光学测试专业委员会.第十六届全国光学测试学术交流会摘要集.中国光学学会光学测试专业委员会:中国光学学会光学测试专业委员会,2016:128.
[5] 黄金苹. 偏振照明系统中偏振实现及检测方法研究[D].中国科学院研究生院(光电技术研究所),2014.
[6] Famin Wang,Yunhai Zhang,Yun Xiao,Wei Huang,Chi Wang. Improving confocal microscopy resolution by tangentially polarized illumination and image subtraction[J]. Optics Communications,2018.

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/598

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交