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相差显微镜

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相差显微镜
光线通过比较透明的标本(如活细胞)时,光的波长(颜色)和振幅(亮度)都没有明显的变化,难以分辨。
相差显微镜能通过其特殊装置一一环状光阑和相板,利用光的干涉现象,将光的相位差转变为人眼可以察觉的振幅差(明暗差),从而使原来透明的物体表现出明显的明暗差异,对比度增强,使我们能比较清楚的观察到普通光学显微镜和暗视野显微镜下都看不到或看不清的活细胞及细胞内的某些细微结构。
什么是环状光阑和相板?环状光阑和相板啊?这是相差显微镜里的两个关键部件,它们配合起来让透明的活细胞啥的变得能看清楚。我来用大白话给你解释清楚,一步一步说。
先说说环状光阑。这东西装在显微镜的聚光镜下面,就是个带环形开口的挡板(光阑)。它的作用是把普通光线变成环形光束——想象一下,就像把一个手电筒的光圈调成环形,只让光从环形区域照过去。这样,光线打到标本上时,就不是均匀一片光,而是个环形的光斑。标本如果是透明的活细胞,光线穿过它时,相位会变(就是光波的“节奏”变了),但亮度没变,所以肉眼看不出来区别。环状光阑就是专门制造这种环形光,为后面的步骤做准备。
然后再说相板。相板是装在物镜(就是显微镜镜头)后焦平面的一个小板子,它上面有个环形区域,跟环状光阑的环形对应。相板的作用是改变光线的相位——具体来说,它让直接穿过标本、没被标本改变的光(叫“直接光”)的相位延迟一点点(通常是四分之一波长)。这样,直接光的相位就被“推后”了。标本里的结构会让一些光衍射(就是光线弯曲了),这些衍射光的相位本来就和直接光不同。相板一改直接光的相位,直接光和衍射光就会干涉(就是两股光波叠加),结果相位差就变成了明暗差。比如,干涉后有的地方光变亮了,有的地方变暗了,标本的轮廓就突显出来了。
简单总结一下:环状光阑负责造出环形光束,相板负责改直接光的相位,让它们和衍射光干涉产生明暗对比。这样,原本透明的细胞就能在显微镜下看得一清二楚了。整个过程就是靠光的物理特性,不需要染色啥的,特别适合观察活体样本。
1. 环状光阑 AnnularDiaphragm
长啥样? 它就是一个圆形的挡板(光阑),但中间不是完全堵死的,而是开了一个环形的孔(像个戒指形状的洞)。想象一个金属片,中间被挖掉一个圆环。
装在哪? 它被安装在显微镜的聚光镜里面,并且是放在聚光镜的前焦点平面上。这个位置很关键,因为它决定了光线聚焦的方式。
有啥用?
它的核心作用就是把普通光源(比如灯泡)发出来的光,变成一束环形的光照向标本。就像把一个手电筒的光调成只从一个环形缝隙里射出来。
这样做的目的是为了和物镜里的相板精确配合(后面讲相板会提到)。
怎么匹配不同物镜?
环状光阑的环形大小(环的宽度和直径)不是固定的。它必须和你要用的物镜的放大倍数相匹配。
高倍物镜(看得更细)需要更窄、更小的环形光阑;低倍物镜(看得范围大)需要更宽、更大的环形光阑。
转盘聚光器是啥?
为了方便使用,显微镜通常不会只有一个环状光阑,而是把多个不同尺寸的环状光阑(对应不同倍数的物镜)集成在一个转盘上。
这个转盘装在聚光镜里,就叫转盘聚光器。
同时,这个转盘上还有一个孔是完全透光的,这就是明视场光阑(就是普通显微镜用的那种,光线均匀照满整个视野)。
怎么用?
当你想用相差显微镜观察时,你就转动这个聚光器转盘,把对应你当前物镜倍数的那个环状光阑转到光路中间(让光从它的环形孔穿过)。
如果你想切换回普通明场观察,就把转盘转到明视场光阑的位置。
2. 相板 PhasePlatePhasePlate
长啥样? 相板是一个非常小、非常精密的玻璃板,上面做了特殊处理。
装在哪? 它被安装在物镜内部,而且是放在物镜的后焦平面上。这个位置是光线经过标本、物镜后汇聚成像的关键平面。
有啥用?
相板的核心作用就是改变光线的相位(可以理解为光波“节奏”的快慢),并且只改变特定的光线。
它把穿过透明标本后没有发生偏折的直射光(背景光)的相位延迟一点点(通常是1/4波长),让它们“慢半拍”。
同时,它往往还会减弱一点这些直射光的亮度(振幅)。
这样处理之后,被标本结构偏折过的衍射光(携带标本信息的光)和“慢半拍”且变暗的直射光重新叠加(干涉)时,就能产生明显的明暗对比了。
两个关键区域:
共轭面 ConjugateArea: 这是相板上一个环形的区域。它正好对应环状光阑产生的那个环形光束在相板上的位置。直射光主要就是通过这个环形区域。
这里做了什么? 共轭面上通常镀了一层很薄的特殊材料(比如氟化镁或金属膜)。这层膜有两个作用:
减速: 让穿过它的直射光相位延迟1/4波长(相当于光波多走了1/4波长的距离)。
减光: 同时吸收掉一部分直射光的能量,让它们变暗一些(降低振幅)。
补偿面 ComplementaryAreaComplementaryArea: 这是相板上除了环形共轭面之外的其他区域。衍射光主要从这里通过。
这里做了什么? 补偿面通常不镀膜或者只镀一层非常薄的、只减速不减光的膜。也就是说,它主要让衍射光正常通过,或者最多只让它们也延迟一点点相位(但目的和直射光不同,是为了更好地匹配)。
怎么识别?
带有相板的物镜叫做相差物镜。
你可以在这种物镜的外壳上找到**“Ph”** 的标志(Ph是Phase的缩写),用来和普通物镜区分开。
总结一下它们怎么配合工作:
你选好物镜(带Ph标志),把聚光器转盘转到对应倍数的环状光阑。
环状光阑产生环形光束照在透明标本上。
光线穿过标本:
大部分光没被标本改变方向(直射光),继续沿着环形路径走。
小部分光被标本里的结构偏折(衍射光),散开到环形光斑周围。
这些光进入物镜,最终汇聚到物镜内部的后焦平面,也就是相板所在的位置。
在相板上:
直射光穿过共轭面(环形区域),被延迟相位并减弱亮度。
衍射光穿过补偿面(环形区域外的部分),基本不受影响或轻微调整。
经过相板“加工”后的直射光和衍射光继续前进,在最终成像时相互叠加(干涉)。
因为直射光被延迟和减弱了,它们和衍射光叠加后,原本微小的相位差就被转化成了人眼能清晰分辨的明暗差。标本中不同厚度或折射率的地方就显示出亮暗不同的区域,透明标本就变得清晰可见了!
简单说:环状光阑负责“造环”,相板负责“调直射光”(让它慢点、暗点),两者位置必须对准,最终让透明的东西变“黑白分明”。


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