Дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия

редактировать
Micrasterias furcata, полученные с помощью ДИК-микроскопии в проходящем свете Оптические повреждения, вызванные лазером в LiNbO 3 при 150 × микроскопии Номарского

Дифференциальный интерференционный контраст (DIC ) микроскопия, также известный как интерференционный контраст Номарского (NIC ) или микроскопия Номарского, это метод оптической микроскопии, используемый для увеличения контраста в неокрашенных прозрачных образцах. DIC работает по принципу интерферометрии, чтобы получить информацию об длине оптического пути образца, чтобы увидеть невидимые в противном случае детали. Относительно сложная оптическая система позволяет получить изображение объекта от черного до белого на сером фоне. Это изображение похоже на изображение, полученное с помощью фазово-контрастной микроскопии, но без яркого дифракционного ореола. Этот метод был разработан польским физиком Жоржем Номарским в 1952 году.

DIC работает путем разделения поляризованного источника света на два ортогонально поляризованных и взаимно когерентных части, которые пространственно смещены (срезаны) в плоскости образца и рекомбинированы перед наблюдением. Интерференция двух частей при рекомбинации чувствительна к разнице их оптических путей (т.е. произведению показателя преломления и геометрической длины пути). При добавлении регулируемой фазы смещения, определяющей интерференцию при нулевой разнице оптического пути в образце, контраст пропорционален градиенту длины пути вдоль направления сдвига, создавая видимость трехмерного физического рельефа, соответствующего изменению оптической плотности образец, подчеркивая линии и края, но не обеспечивая топографически точного изображения.

Содержание

  • 1 Световой путь
  • 2 Изображение
  • 3 Приложения
  • 4 См. Также
  • 5 Ссылки
  • 6 Внешние ссылки

Световой путь

1. Неполяризованный свет попадает в микроскоп и поляризуется под 45 °.

Для работы техники необходим поляризованный свет.

2. Поляризованный свет попадает в первую модифицированную по Номарскому призму Волластона и разделяется на два луча , поляризованных под углом 90 ° друг к другу, - эталонный и эталонный.

Призмы Волластона - это тип призмы, состоящей из двух слоев кристаллического вещества, такого как кварц, который из-за изменения показателя преломления в зависимости от поляризации света разделяет свет в соответствии с его поляризацией. Призма Номарского приводит к тому, что два луча попадают в точку фокусировки за пределами тела призмы, что обеспечивает большую гибкость при настройке микроскопа, поскольку призма может активно фокусироваться.

3. Два луча фокусируются конденсатором для прохождения через образец. Эти два луча фокусируются таким образом, что они проходят через две соседние точки в образце, расстояние между которыми составляет около 0,2 мкм.

Образец эффективно освещается двумя источниками когерентного света, один с поляризацией 0 °, а другой - с поляризацией 90 °. Эти два источника света, однако, не совсем выровнены, одно из них слегка смещено относительно другого.
Путь света через микроскоп DIC. Два световых луча должны быть параллельны между конденсором и объективом

4. Лучи проходят через прилегающие участки образца, разделенные сдвигом. Разделение обычно аналогично разрешению микроскопа. Они будут иметь разную длину оптического пути, где области различаются показателем преломления или толщиной. Это вызывает изменение фазы одного луча относительно другого из-за задержки, испытываемой волной в более оптически плотном материале.

Прохождение множества пар лучей через пары соседних точек в образце (и их поглощение, рефракция и рассеяние образцом) означает, что изображение образца теперь будет переноситься обоими 0 Поляризованный свет на ° и 90 °. Если рассматривать их по отдельности, это будут изображения светлого поля образца, слегка смещенные друг относительно друга. Свет также несет информацию об изображении, невидимом для человеческого глаза, о фазе света. Это очень важно позже. Различная поляризация предотвращает интерференцию между этими двумя изображениями на данном этапе.

5. Лучи проходят через линзу объектива и фокусируются второй призмой Волластона, модифицированной Номарским.

6. Вторая призма объединяет два луча в один, поляризованный под углом 135 °. Комбинация лучей приводит к интерференции, осветлению или затемнению изображения в этой точке в соответствии с разностью оптических путей.

Эта призма накладывает два изображения в светлом поле и выравнивает их поляризацию, чтобы они могли мешать друг другу. Однако изображения не совсем совпадают из-за смещения освещения - это означает, что вместо интерференции между двумя лучами света, прошедшими через одну и ту же точку образца, возникает интерференция между лучами света, прошедшими через соседние точки, которые поэтому есть немного другая фаза. Поскольку разница в фазе возникает из-за разницы в длине оптического пути, эта рекомбинация света вызывает "оптическую дифференциацию " длины оптического пути, создавая видимое изображение.

Изображение

Процесс формирования изображения в микроскопе DIC

Изображение имеет вид трехмерного объекта при очень наклонном освещении, вызывая сильный свет и темные тени на соответствующих лицах. Направление видимого освещения определяется ориентацией призм Волластона.

Как объяснялось выше, изображение создается из двух идентичных изображений в светлом поле, наложенных друг на друга с небольшим смещением (обычно около 0,2 мкм), и последующей интерференции из-за фазовых изменений преобразования разности фаз (и, следовательно, оптических длина пути) до видимого изменения в темноте. Это вмешательство может быть как конструктивным, так и деструктивным, вызывая характерный вид трех измерений.

Типичная разность фаз, вызывающая помехи, очень мала и очень редко превышает 90 ° (четверть длины волны). Это происходит из-за схожести показателей преломления большинства образцов и среды, в которой они находятся: например, ячейка в воде имеет разность показателей преломления только около 0,05. Эта небольшая разность фаз важна для правильной работы ДИК, поскольку, если разность фаз на стыке двух веществ слишком велика, разность фаз может достигать 180 ° (половина длины волны), что приводит к полной деструктивной интерференции и аномальной темноте. область; если бы разность фаз достигала 360 ° (полная длина волны), это приводило бы к полной конструктивной интерференции, создавая аномально яркую область.

Изображение можно аппроксимировать (пренебрегая преломлением и поглощением из-за образца и пределом разрешения разделения луча) как разность длины оптического пути по отношению к положению поперек образца вдоль сдвига, и, таким образом, разность показателя преломления (оптической плотности) образца.

ДИК-изображения с разными фазами смещения φ 0

Контрастность можно регулировать с помощью фазы смещения, либо перемещая призму Номарского объектива, либо с помощью лямбда / 4-волновой пластины между поляризатором и конденсорной призмой Нормарского (компенсация Де-Сенармона). Результирующий контраст меняется от темного поля при нулевом смещении фазы (интенсивность пропорциональна квадрату дифференциала сдвига) к типичному рельефу, наблюдаемому для фазы ~ 5–90 градусов, к оптическому окрашиванию на 360 градусов, где длина волны гашения сдвиги с разностью фаз.

Приложения

Ориентационная визуализация прозрачного кубоида в ДИК Частично проявленный фоторезист в ДИК по Номарски

ДИК используется для визуализации живых и неокрашенных биологических образцов, таких как в виде мазка из тканевой культуры или отдельных одноклеточных организмов, переносимых водой. Его разрешение и четкость в таких условиях не имеют себе равных среди стандартных методов оптической микроскопии.

Ямка легирования алюминия и кремния, видимая с помощью Nomarski DIC Частично протравленный диоксид кремния в DIC по Номарски

Одна небиологическая область, где используется DIC, - это анализ обработки планарных кремниевых полупроводников. Тонкие (обычно 100–1000 нм) пленки при обработке кремния часто в основном прозрачны для видимого света (например, диоксида кремния, нитрида кремния и поликристаллического кремния), и дефекты в них или загрязнения, лежащие на них, становятся более заметными. Это также позволяет определить, является ли элемент ямкой в ​​материале подложки или пятном постороннего материала наверху. Вытравленные кристаллические элементы приобретают особенно эффектный вид при ДИК.

Качество изображения при использовании в подходящих условиях превосходное по разрешению и почти полностью без артефактов, в отличие от фазового контраста. Однако при анализе изображений ДИК всегда необходимо учитывать ориентацию призм Волластона и видимое направление освещения, поскольку параллельные ему элементы не будут видны. Однако это легко преодолеть, просто повернув образец и наблюдая за изменениями изображения.

См. Также

Литература

  • Мерфи Д., Дифференциальная интерференционная контрастная (ДИК) микроскопия и модулирующая контрастная микроскопия, в Основах световой микроскопии и цифровой визуализации, Wiley -Liss, New York, pp. 153–168 (2001).
  • Салмон, Э. и Тран, П., Световой микроскоп дифференциального интерференционного контраста (VE-DIC) с видео высокого разрешения., Видео Microscopy, Sluder, G. and Wolf, D. (eds), Academic Press, New York, pp. 153–184 (1998).
  • Дифференциальный интерференционный контраст - ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-17 05:44:32
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте