相衬显微镜（简介） 
第一节    相衬显微镜(Phase contrast microscope)

在光学显微镜的改进过程中，相衬显微镜的制造成功和普遍的应用，是近代显微镜技术中的重要成就。在1935年荷兰学者泽尼克提出了相衬法原理，至1941年由德国蔡司工厂诞生了世界上第一台相衬显微镜。它的产生，使人类的视觉在光学显微镜下又得到新的扩展。从信息利用的角度来看，人们将它视为光学信息处理概念下的第一个产品，因而获得了1953年诺贝尔奖金。
我们知道，人眼只能在光波的波长（颜色）和振幅（亮度）有变化的情况下，才能在显微镜下看到被检物体的存在，但活的生物体多是无色透明的，当光线通过时，波长和振幅变化不显著，这样在明场镜检下就难于观察清晰。为了克服这一困难，可以采用一定的措施，如物理、化学处理法、材料经固定、染色等过程，使被检物体的颜色及亮度发生变化，但这只能观察已被杀死的材料，而不能观察到活体状态；当然，缩小聚光镜的孔径光阑，以增加明暗反差的对比，但这样不能充分发挥物镜数值孔径的性能，细微结构仍难于被分辨，同时镜象亮度也随之降低；利用暗场、荧光或偏光镜检术，虽然能观察活体标本，但这些显微术都是利用不同的光学原理，达到特定的观察目的，镜检效果局限在一定范围内。可见上述措施都不能得到满意的镜检效果，而采用相衬显微术，则能解决上述问题，使无色透明活体标本的细微结构在相衬显微镜下变得清晰可见。
一、相衬显微镜的特点（蔡康光学 http://www.shkon.com.cn)

相衬显微镜是利用被检物体的光程（折射率与厚度之乘积）之差进行镜检的方法。也即是有效地利用光的干涉现象，将人眼不可分辨的相位差变为可分辨的振幅差，即使是无色透明的物质亦成为清晰可见，这是普通显微镜难以达到的。这不仅大为便利了活体材料的观察，而且相衬显微术和

普通染色观察相结合，还可判断“膺象”和真实的图象。
相位和相位差
光的传播具有波动性质，波动的能以平衡位置为准，以一定的振幅反复振动而前进。光波通过光学均匀体时， 单位时间（T）内波动的能所达到的位置，便是它的“相位”。
如图4-2所示，有A、B两束光，其中A光束只经过单一介质（如空气）；而B光束在中途还通过一块透明玻璃，这样B光束使受到阻滞而速度减少。因此，A和B之间便产生了一定的相位差。

相位差和振幅差示意图
图4-2
在一定的介质内，波长决定了可见光的颜色，而振幅的大小则决定其亮度，这是为人眼所能分辨出的，但人眼不能分辨出相位差。因此，在普通显微镜下观察未经固定、染色的无色透明材料时，虽然被检物体各部分的折射率不同，并能使通过它的各组光线产生一定的相位差，也不能察觉出它们之间的差异，就是这个道理。图中的A光束和通过具有吸光物质的C光束之间，由于振幅的减少，使亮度减弱，则和A光束有着明暗的差别，这样就能为人眼所分辨。
光源射出的光线通过被检物体时，如果某部分完全是均质透明体，则光线将继续前进，称直射光；若某部分含有折射率或厚度不同的均质时，由于光的衍射现象则向周围侧方分散前进，这种光线称为衍射光。当直射光和衍射光两个光波达到一点时，则相互干涉，形成合成波。合成波的大小，取决于两个光波的振幅和相位差。如果振幅相等，相差为零，其合成波则有两倍的振幅，产生相长干涉（同向量），最为明亮；若一个光的相位推迟，其合成波减少，光度渐暗，当恰好推迟到半个波长（1/2λ）时，则两个光波相互抵消，合成波发生相消干涉（异向量），则成为黑暗状态。
二、相衬显微镜的装置
相衬显微镜因各厂家的制作形式不同，用法也略有各异，但其原理是相同的，在装置上都包括有：环状光阑、相板、中心（合轴）调整望远镜。（蔡康光学 http://www.shkon.com.cn)
（一）环状光阑(Ring slit)：装在聚光镜的下方，而与聚光镜组合为一整体——相衬聚光镜。它

是由大小不同环形光阑装在一圆盘内，外面标有10×、20×、40×、100×字样，相应地与不同倍率的物镜配合使用。老式的常为单一环状光阑，附加在视场光阑的上部，它的大小依聚光镜下面安装的调节透镜来进行调节。
（二）相板(Phase plate)：在物镜的后焦点平面处装有相板，它分为两部分，一是通过直射光的部分，为半透明的环状，叫“共轭面”；另一是通过衍射光的部分，叫“补偿面”有相板的物镜称“相衬物镜”，外壳上常有“PH”字样。
相板上镀有两种不同的膜——吸收膜和相位膜，吸收膜常为铬、银等金属在其真空中蒸发而镀成的薄膜，能把通过它的光线吸收60~93%，可分为透过率为7%、15%、20%、40%四个档级。因此，分高（HIGH略写H）、中（Medium略写M）、低（Low略写 L）及低低（Low-Low略写LL）四类。这样可根据被检物体的特性而加以选择应用。现将相衬物镜的选择方法列表于下。
负相衬Negative contrast (N) 正相衬Positive contrast(P) 适用于物体的形态、数量及活体情况的观察 适用于物质内部细微结构的观察，同时也用于形态、数量和活体的观察 负高(NH) 负中(NM) 正低(PL) 正低低(PLL) 适用于折射率比较弱的被检物体 适用于折射率比较强的被检物体 适用于折射率比较弱的被检物体 适用于折射率比较强的被检物体 相位膜常为氟化镁等在真空中蒸发成的薄膜，通过它的光线，相位被推迟，通常多为推迟1/4波长的相位膜，但有时因明暗反差过强，使镜检效果降低，而镀有推迟1/3波长的相位膜。
相板的构造通常多为吸收直射光的类型，可分为负相衬(Negative contrast略N)和正相衬（Plosive contrast略写P）两类。
（三）中心（合轴）调整望远镜，它实际是长工作距离，放大倍率约4~5的放大镜，用以调整环状光阑所造成的象与相板共轭面完全吻合。否则应被吸收的直射光被泄掉；对不该吸收的衍射光反被吸收；应推迟相位的部分有的不能被推迟，这样就不能达到相衬镜检的效果。为了避免上述情况，必须使环状光阑的中心与物镜的光轴完全在一直线上才能使两者吻合。当然在取下目镜后，在镜筒内也能看到两者的象，但因象很小，很难调节，利用中心调整望远镜安装在镜筒上加以放大而便于调节。
三、相衬镜检的原理（蔡康光学 http://www.shkon.com.cn)
镜检时，光源只能通过环状光阑的透明环，经聚光镜后，这束光线通过被检物体，因各部分的光程不同，光线将发生不同程度的偏斜（衍射）。由于透明圆环所成的象恰恰落在物镜后焦点平面上，并和相板的共轭面重合。因此，未偏斜的直射光便通过共轭面；而发生偏斜的衍射光则由补偿面通过。由于相板的共轭面与补偿面的性质不同，它们分别将通过这两部分的光线产生一定的相位差和强度的减弱，这样两组光线再经后透镜的会聚，又复在同一光路上行进，而使直射光和衍射光产生光的干涉，变相位差为振幅差。干涉的结果，有的是振幅的同向量，合成波增大，即相长干涉，此部分便明亮；有的是振幅的异向量，合成波减少，即相消干涉，则此部分便暗淡。这样在相衬镜检

时，通过无色透明物体的光线，使人眼不可分辨的相位差转变为人眼可分辨的振幅差。