摘要：微分干涉相衬(DIC)显微术使用诺马斯基棱镜完成光束的分割、合成，合成光束发生干涉，将样品上各部分折射率、厚度的变化率或表面起伏的不同转化为像面上光强的差别，故像面是物面的微分。DIC 与无限远光学系统的结合，减小了棱镜、检偏器的插入引起的负面影响。将该DIC 应用于 PM2.5 大气颗粒物的研究，得到了优于其它显微术的图像。
引 言
随着结构的不断改进，光学显微镜的性能也得到了不断的提高，但是在观察一些特殊或较微小的样品时还是遇到了困难。取而代之的是由电子或离子做信息载体的显微镜，但是这类高分辨率的显微镜对样品有非常苛刻的要求，如：样品必须是导体又不能是溶液，样品必须处于高真空中，而且电子显微镜对样品可能会造成不同程度的损伤。由于各种对比增强技术和光学系统的应用，20 世纪光学显微镜的发展有了很大的突破，使得以前很难用普通光学显微术得到满意图像的样品，现在都可以用不同的特殊显微术得到高质量的显微图像。其中，最突出的成就之一是微分干涉相衬显微术(DIC)的提出，另外无限远光学系统的应用又使 DIC 显微术的性能得到进一步的优化。在实际工作中，DIC 显微术在各个学科领域的应用给科研工作者带来了很大的方便。
1 DIC 显微术
DIC 显微术在透射和反射光照明的情况下都可以实现，但因照明方式不同，所以在系统结构上有很大差异。下面就分别来讨论两种 DIC的实现方法。
1.1 透射式 DIC 显微术[1]
图1 为透射式 DIC 显微术的光路图：照明器发出的光线 L穿过起偏器，自然光转变为平面偏振光后射向光束分割棱镜;棱镜将 L分割为振动面相互垂直的寻常光和非常光 O，e;O 光、e 光之间成很小的剪切角射向聚光镜后又以很小的间距平行地射向样品。由于 O 光、e 光之间存在很小的间距，所以照射的实际上是样品上的不同点。由于样品各部分有不同的厚度或折射率，所以穿过样品后 O 光、e 光之间会存在一定的位相差。如图2 所示，设x 轴为棱镜的剪切方向，A，B 两点处 O，e光之间的位相差为Δψ，样品的厚度为 f(x), 样品的折射率为 n(x), 则
由上式知，O，e 之间的相位差是由样品上该点的厚度、折射率以及它们的微分来决定的，故称为“微分干涉相衬”。同时，由光源另外一点发出的光线 L 也被分割为两束(O ，e )，经过同样的过程后穿过样品的同一处。O ，e 之间的相位差严格来说是与入射角有关系的，但因为样品一般很薄，在样品内部O 和 O ，e 和 e 的间距很小，在入射角不大的情况下 O ，e 之间的相位差也可以用上式来近似表达。O，e 和 O ，e 穿过物镜后分别会聚于装在物镜后焦面上的光束合成棱镜，被分别合成。但是，因为合成后的光束的振动面相互垂直，所以仍不能发生干涉，于是在棱镜后装有检偏器，经过检偏器的两束光内部发生干涉。虽然发生干涉的各光束是从不同的点发出的，但是由于Δx 非常小，实际上已经小于物镜的分辨率，所以对物镜来说，可以看成是从同一点发出的光线。从样品“同一点”向不同方向发出的光线，都经过相同的过程之后会聚于像面上，形成图像(进一步的分析 1.3 节)。
1.2 反射式 DIC[2，3]
反射式 DIC 显微术原理与透射式 DIC 完全相同，但反射式 DIC 只需一块棱镜即可完成光束的分割和合成，其光路如图3 所示。在反射光照明的情况下，由于表面每一点的切线方向都关系到反射光的方向问题，所以干涉光之间的相位差与严格意义上的表面上该点的斜率有关。O 光和 e 光照射的样品表面的斜率一般是不相同的，如果表面起伏过大，使反射的 O 光和 e 光不能平行地返回物镜，就会给棱镜的合成带来困难，所以反射式 DIC 本身的成像特点要求样品表面微观起伏不能过大。在表面起伏不大的情况下，光线的入、反射情况可以近似用图 4 来表示，A，B 是样品表面相距为Δx 的两个点，则 O 光和 e 光的相位差可以用下式表示：
如果θ为零，上式写为由上式可知，反射 DIC 利用干涉将样品的表面起伏转化为相位差，进而转化为像面上光强的差别。
1.3 性能分析
图5 为用普通明场显微术和 DIC 显微术观察 “丙烯酸酯膜”和“大气粉尘”所得到的结果，对比两种结果可以看出，用 DIC 显微术得到的图像对比度大大增强、有很强的三维立体感、图像边缘更清晰、细节更丰富。
DIC 显微术之所以能够提高显微镜的性能，其原因在于，普通明场照明的情况下，显微镜用颜色和灰度两个因素来划分样品，而 DIC 则用颜色、灰度、表面起伏、厚度变化、折射率五个因素来划分样品，这大大增加了信息量。另外，在DIC 成像的过程中，由于干涉光相长相消的程度不同，造成样品细部各侧面灰度或颜色不同，所以图像有三维浮雕的感觉;同时因为干涉光之间的相位差由厚度、折射率、表面起伏的变化率决定，所以有增强边缘的效果;而且，DIC 实现了光线与光线之间的干涉，进一步提高了图像细部边缘的清晰度。
在观察大气颗粒物的透明结晶时，由于无色的透明结晶属于位相样品，很难与背景分开，所以用普通显微术的颜色和灰度来划分样品无法得到理想的图像。而用透射 DIC 显微术可将由于样品各部分的折射率、厚度的变化而造成的光波前的相位差转化为光强的差别，因此可以得到颗粒物透明结晶的清晰的、三维浮雕的显微图像。观察大气颗粒物的不透明结晶时，由于样品表面基本上无颜色变化，而且灰度差别也不大，所以应用普通显微术的像质量还是很差。如前所述，反射DIC 金相显微镜可将样品的表面起伏转化为干涉光之间的相位差，进而转化为光强的差别，所以可以用来观察不透明的大气颗粒物。
2 无限远光学系统[4]
对DIC 显微术的优化虽然 DIC 显微术有如此优越的性能，但是它同样不能摆脱由于棱镜、检偏器的插入引起的球差、场曲、色散等负面影响。如果将 DIC 与无限远光学系统相结合，将棱镜和检偏器插入无限远光学系统的平行光路部分，则可以较好地解决这一问题。图6 是 DIC 与无限远光学系统相结合的光路图。图中，O，e 和 O ，e 经过物镜之后同样要分别会聚在物镜的后焦面上，但是由于两组光束可以看成是从同一点向不同方向发出的光线，而样品又放在物镜的前焦面上，所以两组光的中轴线是相互平行的，这样一来，两组光就可以以同样的角度射入棱镜，被合成后“平行”地射向检偏器，最后经过管镜会聚于像面。这就减小了由棱镜和检偏器插入的负面影响，其图像被进一步锐化。另外，如果选用比较长的管镜焦距，使各平行光束以相对较小的角度射向附件，负面影响可以得到进一步的降低。
3 DIC 显微镜在 PM2.5 大气颗粒物研究中的应用
众所周知，大气中空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物(PM2.5)可以直接进入人体的呼吸系统，是造成呼吸系统疾病的主要原因，严重的情况下可以导致肺癌，因此对大气颗粒物的研究是非常有必要的。长期以来，对 PM2.5颗粒物的研究大都是采用电镜观察，但是如前所述，用电镜观察时要对样品进行手续繁锁的处理，如：粘贴样品、镀导电膜等，非常麻烦。针对上述情况，我们将具有无限远光学系统的 DIC 金相显微镜应用于 PM2.5大气颗粒物的观察研究中，经过处理后意外地得到了如图7 所示的令人兴奋的“美丽”结晶物，正是这些“美丽”的“形态各异” 的东西在吞噬着人类的健康。这是我们第一次对大气颗粒物有这样清晰的整体的观察，它使我们开始从尺寸以外的另一个角度(它们的较宏观的表象)去认识大气颗粒物。我们认为，如果大气中的颗粒物的成份有改变，那么在相同的条件下，它们结晶后的形态也应该不同，所以我们可以利用显微镜首先从感观上分析不同时期大气中污染物的成份变化。图7 是对不同时期的采样进行处理后得到的显微图像，前两幅图是颗粒物的“窗花状”不透明的结晶，而后两幅则是“针状”的水晶般透明的结晶。另外，同为“窗花状”或“针状”的结晶，它们之间也有所不同。
由于普通的显微镜成像质量不高、图像的边缘不清晰，所以无法捕捉到颗粒物或其结晶的微小变化或较复杂、细微的结构，而微分干涉相衬显微镜由于其卓越的性能恰好能够满足我们在这方面的要求。另一方面，由于空气中的污染物很难用肉眼直接观察到，而且大多数人都认为枯燥的数据和高深的数学公式是研究人员的事情，很难与日常生活联系在一起，所以很难引起人们对环境的关注。那么，看到“洁净”的空气中竟然弥散着能够形成这样“多姿多彩”的粉尘颗粒物，应该有助于提高大众的环保意识。
结束语
目前我们正将具有无限远光学系统的 DIC 金相显微镜应用于 PM2.5 大气颗粒物的分选研究中。微分干涉相衬显微镜的应用在带给我们对微观世界的真实感受的同时，也为我们研究 PM2.5大气颗粒物开辟了一条新途径。
参考文献：
[1] CAPPRETTE D R. Differential Interference Contrast(Nomarski. DIC, Hoffman Modulation Contrast )[EB/OL]. https:// www.ruf. rice. edu/bioslabs/ methods/microscopy/dic/html , 2002-01-18 .
[2] BRANDMAIER Chris, SPRING K R, KAVIDSON M W. Reflected Light DIC Microscopy[EB/OL]. https:// www.
microscopyu. com/ articles/reflecteddic. html, 2002-09-10.
[3] BRANDMAIER Chris, SPRING K R, SUTTER R T. Wavefront Relationships in Reflected Light DIC Microscopy[EB/OL].https:// www. microscopyu. com/ tutorials/java/dic/ reflected wavefronts/index .html, 2002-09-10.
[4] BRENNER Merrill. InfiNIty optics can make a difference [J]. Research & Development, Highlands Ranch， 1997， 39(9)：47.1.
基金项目：广州市污染防冶专项资金资助项目(穗计[2000]6 号)
作者简介：岳成凤(1977-)，女(汉族)，山东泰安人，硕士生，主要从事光电技术及系统的研究。E-mail: optic2@scnu.edu.cn
