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大家好
这节课我们来介绍一下
Zerinike获得1953年诺贝尔奖的发明
相衬显微镜
在前面的典型显微图像部分
我们曾经介绍过
相衬显微镜是适用于本身是完全透明的
但是具有一定的厚度
或者是折射率分布的样品
这里的折射率分布
有可能是由于样品内部不同的成分
或者不同的结构 不同浓度
所造成的折射率的不均匀
在相衬显微镜发明之前
人们用明场显微镜
去观察这些样品的时候
只能够看到非常模糊的边界
内部的细节非常非常的不清楚
就像左边这幅图这个样子
如果我们使用相衬显微镜
就能够让样品内部的细节
也变得非常明显
就变成了右边这样
为了解释一下相衬的原理
我们首先来看一下
当一束光通过样品的时候
到底发生了什么
学过大学物理
或者是物理光学的同学们知道
光是一种横波
如果我们将情况简化
只考虑一种特定的波长
传播的方向也是单一的光的话
那就是所谓的单色的平面波
我们就可以用这样的一条正弦曲线
来表示光波的传播
如果这么一束光通过一般的物体
也就是我们用明场显微镜能够看到
明暗分布的物体的话
我们把这样的物体称作振幅的物体
那就表示
这根线会发生一定的变化
那到底是什么变了呢
是振幅变小了
表示光的能量变小了
因为这些能量被样品给吸收了
就变成了像第二根线这样
能量被吸收的部分看起来就会变暗
吸收得越多就会越暗
这样我们就能够看到样品的细节了
但是完全透明的样品
基本上是不吸收光的
振幅不会变
那怎么办呢
不怕 我们知道光作为一种振动
除了有振幅还会有相位
这些透明的样品
虽然不会改变照明光的振幅
却会改变相位
产生相位的延迟
就像我们看到的第三根线这样
这个相位延迟的大小
与样品厚度的分布
折射率的分布都有定量的关系
就像这个示意图里画出来的
比如说当光通过细胞里面
比较薄的部分的时候
发生的相位延迟就比较小
通过细胞里比较厚的地方的时候
相位延迟就比较大
这样
完全透明的样品对光还是有一定影响的
或者说有一定调制作用的
下一步就应该考虑
怎样才能让我们看到这个相位的变化了
我们都知道
人眼是没有办法
直接看到光波的相位的变化的
最常用的将相位转化为振幅
或者是能量变化的方法就是干涉
我们在干涉仪这一章
有过非常详细的讲解
不过 在观测用的显微镜光路中
如果要再设置一路参考光
来与通过样品的信号光发生干涉
是比较麻烦的事情
那么我们的泽尼克
他发明相衬显微镜的伟大之处
就是用相对比较简单的装置
只需要改造一下照明的聚光镜和物镜
就可以把样品的相位分布
转化为振幅的分布了
所以接下来我们先看一下
泽尼克设计的相衬显微镜的结构和光路
大家看这幅图
左侧没有画出来的地方有光源
光源通过聚光镜照明了样品
然后通过物镜成像在中间像面上
与之前介绍过的明场显微镜不一样的是
我们注意到在聚光镜的前焦平面上
增加了一个环形的光阑
在物镜的后焦面上
也增加了一个环形的
是个什么东西呢
是个相位板
这个环形的光阑
会使得样品上的照明光发生一定的倾斜
而且这一束倾斜光是平行的
它直接穿透样品以后
这样形成的信号光是零级的透射光
它携带有样品的相位分布
继续传播 经过物镜偏转以后
通过了环形的相位板的环形部分
环形部分镀有一定厚度的薄膜
这一层膜有两个作用
其一是衰减零级透射光的振幅
其二是让零级透射光产生π/2的相移
为什么要人为地去改变零级透射光的
振幅和相位
我们在这儿先卖个关子
大家注意到
如果只有这个零级的透射光
那我们还是没有办法
看见样品的相位分布
于是 大家注意
图中除了有零级透射光之外
还有一些从样品
发散开的这片红色的光
这一部分的光是散射
或者是高级次的衍射光
它的强度是很低的
不遵循直线传播的规律
但是也会携带有样品的相位分布
因为传播的方向各异
所以大部分的高次衍射光
是不会通过相位板上的环形部分的
因此它的相位分布不变
在这之后
在中间像面上
我们的零级透射光
和高级衍射光就相遇了
它们会演绎怎样的故事呢
这个故事有不同的讲法
因为我个人更加喜欢公式版本的故事
所以 以下用公式来解释一下
相位是如何转化为强度的
这样一个物理过程
这一部分对没有学过物理光学
或者大学物理光学部分的同学来说
会比较难
那么这部分同学可以只听推导的思路
我们知道零级透射光是一个单色平面波
那么它的复振幅分布会满足这个公式
这是一个最简洁的单色平面波的公式
式中A1是实振幅
考虑到我们的样品几乎是完全透明的
而且我们的照明光也是均匀的
所以此处A1是一个常数
A1后面的指数项是透过率函数
它与相位分布是有关系的
如果将这个指数项进行级数展开
可以得到下面这个式子
这里为了简洁
我们省略了公式
右侧所有的空间分布项(x,y)
在展开式里 括号里的第一项
就是零级透射光
这部分光沿直线传播
后面的部分是高次的衍射频谱项
由于环形相位板的作用有两个
如果大家还记得
第一是衰减零级透射光
第二是使其发生
δ=π/2的相移
因此 经过物镜成像和环形的相位板之后
在像平面上复振幅分布
就会变成这个公式这样
我们注意到空间的坐标
从物面的(x,y)变到了像面的(x′,y′)
并且括号里的第一项发生了变化
a是零级透射光复振幅衰减的系数
对这个展开式我们做一个简单的添项
如果给后面的高次项添加一个1
然后再把这个1减掉
我们就能再凑成一个
级数展开之前的透过率函数了
像这个公式这样
接下来我们就来求取像面上的光强分布
用复振幅乘以它的复共轭再化简
就得到这样的式子
也就是像面的光强分布
它跟相移δ=π/2
以及样品的相位分布φ
都是有关系的
这个式子比较复杂 我们继续往下化简
把δ=π/2代入
并且考虑到
我们观察的样品都是非常薄的
一般不会超过5个微米
那么它的相位变化φ是很小的
所以由小角度近似
能够得到这个公式
我们看到这就非常的简洁了
像面的光强分布
直接与样品的相位分布成正比
当相位越大的时候
这一点就会越亮
称之为正相衬
这个时候使用的相位板的结构示意图
是这样的
它对应的成像的示意图如下面这幅所示
如果我们把最初
环状相位板引入的相位分布
相位变化设为3π/2
或者是-π/2的话
那么光强的分布就会满足这个式子
在这种情况下
相位越大的情况下这一点反而会越暗
我们称之为负相衬
对应的相位板的结构示意图是这样的
成像的示意图是这样
另一方面我们注意到2φ
也就是样品的相位分布引起的光强变化
是要叠加在a的背景之上的
所以如果a本身很大 接近1
也就是相位环它的衰减作用非常的小
而我们知道φ又是远小于1的
那φ引起的那一丁点的光强变化
就看不出来了
所以为了让φ变得明显
a也是要经过精心设计的
最后我们再看一下相衬显微镜的光路
为了提高相衬图的对比度
还有下面几件事情是可以仔细考虑的
第一是聚光镜的环形光阑
与环形相位板的尺寸
相对位置是需要仔细的设计和装调的
这样才能够使得零级透射光
全部都通过环形相位板
第二是系统的照明光源
它的相干性应该尽量的好
到这儿我们就讲解完了
相衬显微镜的工作原理
这个原理中包含了
几何光学和物理光学的知识
难度是比较高的
因此它是一种在原理技术上
综合性比较强
而在应用方面
解决了之前瓶颈问题的
这样的一种显微镜技术
不过在获得诺奖肯定以前
泽尼克的相衬显微镜推广之路并不平坦
早在1932年
泽尔尼克就已经试制成功了
第一台相衬显微镜
同年的4月26号
他就向德国申请了专利
不过一直经过他不断的努力
到了1936年
德国专利局才批准他4年前的申请
而从1933年开始
泽尼克就拿着他的专利
向一些学术会议 相关的公司
去论证他的相衬显微镜的作用
并且想拉一些赞助来发展生产
可惜那个时候都没有得到重视
在那之后又受到了第二次世界大战的打击
一直到1941年
蔡司公司才开始生产相衬的物镜和附件
这个期间间隔了将近10年的时间
而现在 相衬显微镜已经广泛地应用于
生物学以及医学方面
作细菌学和病理学的研究
也在矿物晶体的微形貌学中
得到了有效的应用
那么这是某款相衬显微镜
目镜和配件的实物图
它已经作为显微镜的标准配件
在市场上销售了
通过泽尼克和相衬显微镜的故事
希望大家能够了解到
这种新型的显微观测手段的特点
掌握它的基本原理
同时也能够从泽尼克的经历中
汲取一些动力
投身于我们光电仪器事业
那么显微镜部分的技术内容讲解
到此就全部结束了
在后面的部分
我们将采访两位业内人士
听听他们对显微镜技术发展的见解
欢迎大家继续关注
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
