DIC波前关系和图像形成

微分干涉对比 ( DIC ) 显微镜中普通波前和异常波前之间的空间关系和相位差是决定图像形成方式的主要因素。本交互式教程探讨了 DIC 显微镜光学系统中的波前关系，以及这些关系如何影响图像形成。

本教程使用典型的 DIC 显微镜光学系统进行初始化，该光学系统配备出现在窗口中的 Wollaston 棱镜。一束线偏振光从偏振器射出，进入下部沃拉斯顿棱镜（标记为聚光棱镜），然后被分成两个正交分量并在石英楔形界面处剪切。在本教程中，普通波前由黑色光线轨迹上的短红线（与浏览器窗口平行）表示，而非凡的波前则由黑色光线轨迹上的短红线（与浏览器窗口平行）表示。波前由红色光线轨迹上的黑点（垂直于浏览器窗口）表示。剪切的正交波前被聚光镜渲染为平行，并穿过样本，然后被物镜收集并聚焦到第二个沃拉斯顿棱镜（物镜棱镜）的干涉面上。重新组合的波前从物镜棱镜中出现并穿过分析仪，以完成通过虚拟 DIC 显微镜的旅程。

为了操作本教程，请使用物镜棱镜位置滑块将物镜棱镜横向平移穿过显微镜的光路。当棱镜向左或向右移动时，新兴波形（如教程窗口的右上角所示）从线性变化，经过不同程度的椭圆形，最后变为圆形。当波形具有某种程度的椭圆或圆形特征时，从物镜棱镜发出的一部分光可以穿过分析仪形成图像。样本梯度滑块可用于增加样品上的光路梯度，这也会使从物镜棱镜出现的波形发生变化。可以通过使用Objective Prism单选按钮（标记为Wollaston和Nomarski ）在两种棱镜类型之间切换来检查 Nomarski 和 Wollaston 棱镜中的波前关系。使用小程序速度滑块可以增加或减少波前穿过虚拟显微镜的速度。

从孔径平面处的聚光镜沃拉斯顿或诺马斯基棱镜射出后，剪切的普通和非常相干波前由聚光镜的透镜元件聚焦，并在被物镜收集之前穿过样本。沿着聚光镜和物镜之间的轨迹，波前保持彼此平行，并间隔一定的剪切距离源自聚光棱镜的几何约束。波前之间的空间间隔（剪切距离）随聚光镜和物镜数值孔径而变化，但实际限制在 0.1 至 1.5 微米之间，该线性范围设计为略小于（或在某些情况下等于）横向分辨率目标。通过将剪切距离减小到物镜最大分辨率的大约一半，可以增加微分干涉衬度的分辨率（以对比度为代价）。

大多数显微镜制造商都会在剪切距离与分辨率（和对比度）之间进行权衡，并生产对于较低放大倍率物镜（10 倍）而言最大剪切距离约为 0.6 微米的棱镜，对于对于较高放大倍率物镜而言最小剪切距离接近 0.15 微米（60 倍和 100 倍）。然而，无论剪切距离如何，重要的是要注意，空间分布在整个显微镜孔径上的紧密间隔的波前对对样本中的每个点进行采样，最终在图像平面上提供双光束干涉。

当不受样本存在的干扰时，相干波前对在样本和像平面之间经历相同的光程长度，并到达物镜后焦平面，其相位关系与它们离开聚光镜时相同。位于物镜后面的诺马斯基棱镜重新组合物镜焦平面中的波前，以产生具有与台下偏振器透射轴相同的电矢量振动方向的线偏振光。离开物镜棱镜的线偏振波前被第二个偏振器（或检偏器）阻挡，第二个偏振器的透射轴垂直于偏振器的透射轴（图 1(a) 和 1(b)）。结果，在视场中观察到的图像背景显得非常暗或黑色，这种情况称为灭绝。

在没有样本引起的相移的情况下，聚光棱镜的分束作用与物镜诺马斯基棱镜的光束重组作用完全匹配并反转，最终产生线偏振光。换句话说，当显微镜正确配置为科勒照明（高分辨率微分干涉显微镜的关键先决条件）时，聚光镜和物镜协同工作，将光源和聚光棱镜的图像投影到物镜棱镜上。物镜诺马斯基棱镜的方向与聚光棱镜相反，它引入的相移可以精确补偿聚光棱镜产生的波前之间的线性相移。这种作用发生在整个显微镜孔径上的所有成对波前上。聚光镜和物镜棱镜的轴彼此平行，并相对于交叉偏振器（偏振器和检偏器）的透射轴成 45 度角。两个棱镜的定向轴称为剪切轴，一个重要的概念，定义了普通波前和异常波前从离开聚光镜棱镜直到它们被物镜棱镜重新组合并到达像平面之间的横向分离轴。

如果相干成对波前在从聚光镜传递到物镜时遇到样本中存在的相位梯度，则会引起波前畸变，并且波将沿剪切轴经历相移并穿过稍微不同的光路（尽管没有变化）发生极化）。到达物镜棱镜后，相移的成对波前重新组合以产生椭圆偏振光（与没有样本时产生的线偏振光相反）。所产生的波前的电矢量不再是平面的，当它穿过物镜棱镜和分析器之间的区域时，会扫出一条椭圆形路径（如图 1(c) 所示）。因为椭圆波前的一个分量现在平行于分析器的传输轴，所以波的某些部分将穿过分析器并产生具有有限幅度的平面偏振光，并最终能够在图像平面中产生强度。

总之，样本中的光路梯度引起相干成对波前的相移，该相干成对波前被聚光棱镜剪切并沿平行轨迹穿过。这些相移被物镜诺马斯基棱镜转化为相位差，产生椭圆偏振光，能够使线性分量穿过分析仪并创建图像。事实上，在整个样本场上，相位梯度的存在或不存在会产生线性和椭圆偏振波前的组合，分析仪根据其振动平面的方位角选择性地通过这些波前。能够通过分析仪的波前都是平面平行的，并且可以通过像平面处的干涉生成样本的振幅图像。当物镜棱镜精确补偿聚光棱镜的影响时（如在科勒照明中所做的那样），分析仪会阻挡源自缺乏相移（无样本相位梯度）的场的所有空间位置的波前。在视场中观察到的结果背景是黑暗的（表现出完全消光），但显示陡峭样本折射率或厚度梯度的区域除外，这些区域看起来更亮（通常以轮廓形式）。感知到的图像看起来与经典但简单的暗场照明技术生成的图像非常相似。在视场中观察到的结果背景是黑暗的（表现出完全消光），但显示陡峭样本折射率或厚度梯度的区域除外，这些区域看起来更亮（通常以轮廓形式）。感知到的图像看起来与经典但简单的暗场照明技术生成的图像非常相似。在视场中观察到的结果背景是黑暗的（表现出完全消光），但显示陡峭样本折射率或厚度梯度的区域除外，这些区域看起来更亮（通常以轮廓形式）。感知到的图像看起来与经典但简单的暗场照明技术生成的图像非常相似。

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