Микроскопы поляризационные

Поляризационный микроскоп – это оптический микроскоп, снабженный специальными поляризующими фильтрами для изучения анизотропных соединений в проходящем и отраженном свете.

Рис. 1. Линейно-поляризованный свет.

Рис. 2. Взаимное расположение плоскостей поляризатора и анализатора.

Области применения поляризационных микроскопов.

Поляризационные микроскопы применяются для идентификации, а также изучения морфологии и оптических свойств органических и неорганических соединений. Поляризационная микроскопия используется в таких областях как:

• минералогия (определение размеров, соотношения и оптических свойств кристаллических и аморфных фаз);
• биология (изучение строения и структуры тканей, клеток);
• медицина (гистология, анализ осадка мочи);
• различные отрасли производства (контроль качества синтетических материалов);
• криминалистика (анализ характера повреждения тканей).

Принцип работы поляризационного микроскопа в проходящем свете.

Большинство органических и неорганических соединений, а также ряд биологических объектов имеют анизотропное строение (отличные свойства в различных направлениях) и, как следствие, обладают двойным лучепреломлением. При прохождении поляризованного света (распространение световой волны в одной плоскости (Рис.1)) через такие материалы, изучаемые объекты демонстрируют свойственные только им морфологию, рельеф, окраску, плеохроизм, цвета интерференции и характер погасания в наблюдаемом поле зрения микроскопа. На основании этих характеристик выполняется определение соединения, а также возможно установить историю его преобразований. Иногда для точной идентификации соединения требуются дополнительные исследования.

В упрощенном виде принцип работы поляризационного микроскопа выглядит следующим образом. В нижней части микроскопа располагается осветитель, над которым находится поляризационный фильтр. Свет, проходя через этот фильтр, превращается в линейно-поляризованный (распространяется в одной плоскости) и далее проходит через прозрачный образец (например, шлиф или срез). Исследуемый образец расщепляет световой луч на две составляющие. Над образцом находится еще один поляризационный фильтр (расположен между объективами и окуляром) – анализатор. В зависимости от взаиморасположения анализатора и нижнего фильтра, будут наблюдаться два разных изображения (Рис. 2). Если анализатор установлен так, что плоскости колебаний световых волн совпадают (параллельны) с нижним поляризационным фильтром, то в окулярах микроскопа будет видно равномерно освещенное поле, где разные элементы образца будут различаться по рельефу и цвету за счет различных показателей преломления и цветов поглощения (Рис. 3). В отличие от обычной светлопольной микроскопии (см. подробнее методы контраста, микроскопы прямые исследовательские), при прохождении поляризованного света некоторые соединения будут демонстрировать плеохроизм (изменение окраски при вращении предметного столика).

При перпендикулярном расположении плоскостей анализатора и нижнего поляризационного фильтра, два луча, полученные в результате расщепления световой волны изучаемым образцом, соединяются анализатором. В зависимости от разности оптических путей в образце и от длин волн света, в анализаторе возникает усиливающая или ослабляющая интерференция. В результате, в поле зрения микроскопа, изучаемые объекты демонстрируют различные цвета интерференции – от низких серых до высоких оранжевых и красных (Рис. 4). При повороте образца относительно поляризаторов интенсивность цветов интерференции изменяется циклически – от полного погасания до максимума. Кристаллические соединения, в зависимости от своего состава и структуры, имеют определенный угол полного погасания (определенное положение оптических осей относительно поляризаторов). Изотропные соединения будут постоянно выглядеть темными.

Рис. 3. Фотография кристаллов циркона в проходящем свете без анализатора (поляризационная микроскопия).	Рис. 4. Фотография кристаллов циркона в проходящем свете с анализатором (поляризационная микроскопия).

Для повышения контрастности изображения, в случае низких цветов (темно-серые) интерференции образца, в оптическую систему можно устанавливать вспомогательные пластины. Пластина создает собственную разность оптических путей. Разности оптических путей пластины и образца либо складываются, либо вычитаются. Когда направление колебаний медленного луча в образце и вспомогательной пластине совпадают, разности оптических путей складываются, когда же направление колебаний быстрого луча в образце совпадает с направлением колебаний медленного луча в пластине – вычитаются. Направления колебаний медленного и быстрого лучей в пластине известны, что позволяет определить соответствующие направления и в образце.

Коноскопический метод позволяет определить: одно- или двуосный объект; знак двойного лучепреломления; ориентацию объекта и величину угла между оптическими осями. В оптическую систему вводят линзу Бертрана, что обеспечивает появление специфического изображения (коноскопических фигур), анализ которых позволяет получить необходимую информацию об образце.

Современные оптические поляризационные микроскопы позволяют также анализировать образец в отраженном свете. Это необходимо для экспрессного анализа морфологии и соотношения непрозрачных фаз (например, рудная минералогия), в том числе с пропускающими свет соединениями.

Устройство поляризационного микроскопа.

Рис. 5. Поляризационный микроскоп с вращающимся предметным столиком.

В упрощенном виде поляризационный микроскоп имеет следующее строение (снизу вверх) (Рис. 5):

Осветитель – галогеновая или светодиодная лампа, располагающаяся в основании микроскопа. Интенсивность освещения регулируется.

Поляризатор представляет собой пластинку и располагается над осветителем (крепиться в основание конденсора), в некоторых моделях вращается на 360°.

Конденсор расположен над поляризатором под предметным столиком. Он является одной из главных частей микроскопа, влияющих на качество изображения. Конденсор – это система линз, собирающая лучи от источника света и направляющая сформированный световой пучок на образец. Он дает возможность регулировать яркость, контрастность, глубину резкости и равномерность освещения изучаемого объекта. В представленных в данном разделе поляризационных микроскопах конденсор съемный и подвижный и снабжен ирисовой диафрагмой (для плавной регулировки интенсивности освещения). По типу оптической коррекции конденсоры в поляризационных микроскопах относятся к ахроматическим (коррекция сферической аберрации по одному цвету, коррекция хроматической аберрации по двум цветам). Для получения максимально четкого изображения используются конденсоры, свободные от натяжений. Конденсоры могут быть малой (до 0,3), средней (0,75) и большой (свыше 0,75) числовой аппретуры. С ростом значения аппретуры растет разрешающая способность микроскопа. Для получения наилучших результатов числовая апертура конденсора должна быть больше либо близка числовой апертуре объектива. Числовая апертура конденсора уменьшается при перемещении его вниз по оптической оси, а также при сужении и перекрытии отверстия апертурной диафрагмы конденсора. Для работы на различных увеличениях некоторые конденсоры выполняются с откидными элементами (линзы, кольца для светофильтров).

Над конденсором располагается предметный столик, вращающийся на 360° и центрируемый относительно оптической оси. Столик имеет градуировку угла поворота и возможность фиксации. На столик можно прикрепить вспомогательный механический держатель, позволяющий зафиксировать предметное стекло и плавно перемещать его в горизонтальной плоскости по оси XY (визуальное сканирование образца). Некоторые столики снабжены механизмом рефокусировки (опускаются под нажатием руки и автоматически поднимаются после отпускания).

Над предметным столиком располагается револьвер с несколькими объективами (до 5). В объективе находиться система линз, собирающая и фокусирующая световые лучи от наблюдаемого объекта для получения изображения. Тип объективов – планахроматы (коррекция искажений по всему видимому спектру) и ахроматы (коррекция сферической аберрации по одному цвету, коррекция хроматической аберрации по двум цветам). Кратность увеличения объективов – от х2,5 до х100, апертура – 0,05-1,25.

Выше располагается промежуточный тубус с анализатором, вспомогательными пластинами (кварцевый клин, кварцевые и слюдяные пластины, компенсатор Сенармонта, Берека, интерференционный фильтр) и линзой Бертрана. Анализатор вращается на 360° с минимальным шагом 0.1° (при зафиксированном поляризаторе), либо на 180° (при вращающемся поляризаторе). На этом же уровне может быть установлен осветитель для работы с отраженным светом.

Выше располагается окулярный тубус – бинокулярный или тринокулярный. Окуляры широкоугольные, с увеличением от 6,3 до 16 и с диаметром поля зрения от 11 до 20 мм, с перекрестием или сменной шкалой и стекой. Межзрачковое расстояние регулируется (55-75 мм, 47-75 мм). Тринокулярный тубус позволяет установить камеру для фотографирования образцов.

Для изучения микрообъектов также используют микроскопы инвертированные, микроскопы конофокальные, прямые исследовательские, микроскопы зондовые сканирующие, микроскопы прямые начального уровня, микроскопы стерео.

Сопутствующее оборудование для микроскопов: системы видеодокументирования, масло иммерсионное, стекла предметные и покровные.