相差顯微鏡的成像原理
(一)阿貝成像原理
為了理解相差顯微鏡的原理,不得不回顧普通顯微鏡的成像原理。德國光學(xué)家阿貝
(E. Abbe)從1874年以后創(chuàng)立了成像原理.在現(xiàn)代波動光學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)上興起的變換光學(xué)
中的空間信息濾波和信息處理概念,就是奠基于阿貝成像原理。
奧林巴斯顯微鏡
奧林巴斯顯微鏡
據(jù)阿貝的看法,顯微鏡物鏡的透鏡或透鏡組不只是反映物平面和像平面的共扼關(guān)系,
而且也反映透鏡前后的無數(shù)個對應(yīng)平面的共扼關(guān)系。當然,顯微鏡的成像光路中zui為重要
的共扼面還是物平面和像平面(圖10-18,0--0').顯微鏡成像光路中同樣具有重要的共
扼面是發(fā)光平面((L)和光源的像平面(L')。
但是如果在顯徽鏡結(jié)構(gòu)中在聚光鏡的前焦面上放置孔徑光欄時,那么光源和光源像
兩平面的共轆關(guān)系,代之以聚光鏡前焦面的光欄平面和物鏡后焦面的L"平面的共扼關(guān)系
(圖10-19)。
阿貝認為發(fā)光平面的共扼面即L’平面,是顯微鏡的初級成像平面,而物平面是次級
成像平面。若通俗一點來講,L‘燭光是L燭光的像,而O‘空間是L'燭光的像。
如果我們在顯微鏡的初級成像光路上在聚光鏡和物鏡之間,擂入一張不同光密度的
標本O(圖10-20上是光柵)時,立即破壞了初級成像光路.這是因為標本細節(jié)的光密結(jié)構(gòu)
(柵)和光疏結(jié)構(gòu)(間隙)的折射率不同,而產(chǎn)生光的衍射。其結(jié)果如圖10-20所示,L燭光在它的像平面上出現(xiàn)了數(shù)支燭光。與此同時,在像平面上出現(xiàn)標本0的干涉像.這些干涉紋是由次波源。,一1,+1發(fā)射的衍射光的重疊所造成的。這樣由于標本的干涉次級成像過程,已由L' ---0’的共扼面改變成0---0’的共扼面。也就是說像平面上不是L,的像,而是標本0的像了。
總之,相干成像過程的*步是形成衍射斑,而第二步是相干干涉.當然未染色生物標本細節(jié)的折射率有很小的差異,在像平面上的對比度非常小。為了提高物像的對比度(反差),荷蘭物理學(xué)家(F. Zernike(1935)設(shè)計了相差顯微鏡的基本部件如環(huán)狀光欄和位相板。
從阿貝成像原理已經(jīng)知道顯微鏡的聚光鏡前焦面上放置孔徑光欄時,這個平面就成為物鏡后焦面的共扼面。F. Zernike在這個平面上放置了環(huán)狀光欄,按空間濾波概念,稱帶通濾波器。
環(huán)狀光欄給物鏡后焦面提供的是照射在環(huán)形甲像平面上的相干光束。照射在環(huán)形像平面上的相圖10-20顯徽鏡的成像光路干光束,不同于線形窄縫所提供的相干光束.前者不能造成帶有方向性衍射斑.在共扼面上的光分布強度也不像窄縫衍射那種零級強度。它所造成的衍射光是均勻的無方向性的.
F. Zernike在相差顯微鏡的物鏡后焦面上放置了位相板。恰巧位相板的吸收環(huán)變成環(huán)狀光欄的成像平面。其結(jié)果就像F. Zernike指出的,如果人工地改變照射到不吸光物體而形成初級成像光束的光波,以此來改變衍射光和直射光的位相和振幅,使之近似乎吸光物體的初級成像光束時,那么其結(jié)果就造成*像吸光物體的次級成像,也就是加強了物體細節(jié)的反襯度。
巧妙地使用位相板,就能夠使物像平面上的光強度分布與物體細節(jié)的位相信息成為線性關(guān)系.也就是人工地用物體細節(jié)的位相分布調(diào)整像平面的光強分布。甚至巧妙地選配不同類型的位相板,使之適合于物體細節(jié)的折射率時,可以強使物像平面上的反襯度出現(xiàn)逆轉(zhuǎn),即由明反差改變?yōu)榘捣床睿蛘叻粗?/div>
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