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偏光對(duì)比顯微成像入門
偏光顯微鏡通常應(yīng)用于材料科學(xué)和地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，根據(jù)礦物的折射特性和顏色來識(shí)別礦物。在生物學(xué)中，偏光顯微鏡通常用于晶體等雙折射結(jié)構(gòu)的識(shí)別或成像，或用于植物細(xì)胞壁中纖維素和淀粉粒的成像。
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(jié)構(gòu)的材料，如方解石或氮化硼晶體。生物標(biāo)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(jié)合，可用于顯微鏡觀察，實(shí)現(xiàn)兩束不同光線的干涉，從而產(chǎn)生色彩效果，如光環(huán)和結(jié)構(gòu)發(fā)光。
普通光學(xué)顯微鏡至少需要兩個(gè)附加組件才能實(shí)現(xiàn)偏光顯微鏡觀察。要檢測(cè)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(gè)偏振濾光片。通過起偏器產(chǎn)生偏振光來照射試樣，第二個(gè)偏振濾光片（稱為檢偏器）將檢測(cè)到的光限制為折射光。
偏振濾光片必須互成 90° 角，才能達(dá)到所謂的 "全黑位置"。當(dāng)偏振濾光片設(shè)置在這個(gè)位置時(shí)，沒有光線會(huì)進(jìn)入相機(jī)或目鏡，圖像將是暗的。設(shè)置為“全黑”是偏光顯微鏡的一個(gè)重要步驟，因?yàn)樗梢源_保只有因試樣而導(dǎo)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(jìn)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(jié)構(gòu)，則部分光線的偏振面會(huì)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(zhuǎn) 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(dá)目鏡或照相機(jī)，并被觀察者看到。因此，只有改變偏振光的結(jié)構(gòu)才是可見的。
當(dāng)光線通過第一個(gè)偏振濾光片時(shí)，會(huì)產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生折射并分成兩束光線，其中一部分光線的偏振面會(huì)旋轉(zhuǎn) 90°。如果第二個(gè)偏振器（檢偏器）對(duì)齊正確（即相對(duì)于第一個(gè)偏振濾光片成 90°），折射光線就會(huì)通過第二個(gè)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(chǎn)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(huì)發(fā)生振蕩。如果非偏振光通過起偏器 1，就會(huì)產(chǎn)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(zhuǎn) 90°，則沒有光通過。因此，這兩個(gè)起偏器處于所謂的 "暗位置"，因?yàn)榻?jīng)過第二個(gè)起偏器后就再也看不到光了。
重要的是，被檢測(cè)的雙折射材料的偏振軸與第一個(gè)偏振片產(chǎn)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(zhuǎn)平臺(tái)，以確保物體的偏振面與第一偏振濾光片的偏振面容易對(duì)準(zhǔn)。偏光顯微鏡的特殊應(yīng)用可使用各種附件。
貝特朗透鏡可用于對(duì)物鏡后孔聚焦的晶體圖案進(jìn)行圓錐觀察。此外，延緩板或補(bǔ)償器可用于對(duì)雙折射試樣進(jìn)行定量分析。
圖 3：波羅的海琥珀中的蒼蠅。雖然琥珀是一種無定形物質(zhì)，理論上具有光學(xué)各向同性，但在偏振光下可以觀察到內(nèi)部應(yīng)變?cè)斐傻臉渲鲃?dòng)結(jié)構(gòu)以及夾雜物造成的應(yīng)變。偏振光和一階紅色補(bǔ)償器的使用使原本金黃的琥珀呈現(xiàn)出濃烈的色彩。暗場(chǎng)和入射光（玻璃纖維）、交叉偏振、一階紅色補(bǔ)償器、HDRI 色調(diào)映射的組合。由瑞士伯爾尼瑞士寶石學(xué)會(huì) Michael Hügi 提供。
圖 4：鈷，冷軋，貝拉哈刻蝕，偏光。微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的檢查在材料科學(xué)和失效分析中起著決定性作用。在偏光顯微鏡下對(duì)刻蝕樣品進(jìn)行光學(xué)偏振，往往可以增強(qiáng)顏色對(duì)比度和特定的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。由德國(guó)普福爾茨海姆大學(xué)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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