Polaryzacja jako technika obserwacji mikroskopowej pozwala między innymi wydobyć informacje o strukturze powierzchni silnie odbijających światło. Taką próbką może być na przykład zgład metalograficzny obserwowany w świetle odbitym. 

W klasycznych obserwacjach mikroskopowych do uzyskania obrazu preparatu wykorzystuje się światło przechodzące. Innymi słowy, oświetlamy półprzezroczysty, płaski obiekt „od dołu”. Światło po przejściu przez próbkę trafia do obiektywu, który wytwarza jego obraz widoczny później w okularze. Ten sposób oświetlenia w mikroskopie nazywamy oświetleniem diaskopowym.

Oświetlenie diaskopowe znakomicie sprawdza się przy obserwacjach próbek biologicznych, które zwykle są półprzezroczyste i przepuszczają dużo światła. Z kolei w zastosowaniach przemysłowych znacznie częściej mamy do czynienia z obiektami nieprzezroczystymi. Takie obiekty obserwujemy w świetle odbitym. Najczęściej realizowanymi metodami obserwacji w świetle odbitym są obserwacje stereoskopowe oraz obserwacje mikroskopowe przy użyciu oświetlacza episkopowego. Na tych ostatnich skoncentrujemy się w tym artykule.

Oświetlacz episkopowy

Oświetlacz episkopowy, w przeciwieństwie od oświetlacza diaskopowego, oświetla próbkę „z góry”. W odróżnieniu od oświetlenia skośnego uzyskiwanego przez zewnętrzny oświetlacz, strumień światła z oświetlacza episkopowego jest skierowany prostopadle do stolika mikroskopowego (lub podstawy mikroskopu stereoskopowego).

Oświetlacz episkopowy w mikroskopie metalograficznym oświetla próbkę bezpośrednio przez obiektyw.

W związku z tym oświetlacz episkopowy jest wbudowany w mikroskop: zazwyczaj jest umieszczony bezpośrednio pod głowicą. Światło pada na próbkę przez obiektyw, odbija się, a następnie wraca do obiektywu, generując obraz obserwowany przez okulary. Ten typ oświetlenia stosowany jest głównie w mikroskopach metalograficznych, na których będziemy się koncentrować w niniejszym artykule. Oświetlacze episkopowe stosuje się także w mikroskopach fluorescencyjnych, rzadziej w mikroskopach stereoskopowych.

Zestaw do obserwacji w świetle spolaryzowanym musi być dopasowany do aplikacji. Dobrze dobrany układ optyczny, kamera i oprogramowanie gwarantują bardzo dobre efekty.

 Zobacz w naszym katalogu: Mikroskop metalograficzny Panthera

Obserwacje próbek za pomocą oświetlacza episkopowego często są wyzwaniem dla początkujących użytkowników mikroskopów metalograficznych. Po pierwsze obserwowana próbka powinna mieć możliwie płaską powierzchnię: w przeciwnym wypadku nie będziemy w stanie uzyskać ostrego obrazu w całym polu widzenia. Taką próbką może być na przykład zgład metalograficzny. Drugim problemem jest obserwacja próbek o powierzchniach odblaskowych – przy oświetleniu episkopowym część informacji o obiekcie staje sie niewidoczna. Dobrym przykładem są kolory: powierzchnie odblaskowe uniemożliwiają ich odwzorowanie, przez co część danych o strukturze powierzchni wtapia się w jednolity obraz błyszczącej powierzchni. Aby wydobyć informacje o strukturze z powierzchni odbijających, wykorzystujemy fantastyczne narzędzia, jakimi są polaryzatory.

Filtry polaryzacyjne

Najpierw odrobina teorii. Światło wydobywające się ze standardowego źródła światła takiego jak żarówka, dioda LED czy palnik rtęciowy, jest niespolaryzowane. To oznacza, że drgania fali elektromagnetycznej, jaką jest światło, odbywają się losowo we wszystkich kierunkach. Polaryzator to filtr przepuszczający tylko wybrane płaszczyzny drgań fali światła. Jeżeli fala świetlna po przejściu przez polaryzator drga tylko w jednym kierunku, to mówimy o niej, że jest spolaryzowana liniowo.

Jak to ma się do powierzchni odbijającej? Jeżeli oświetlimy taką próbkę światłem spolaryzowaną liniowo (umieszczamy filtr polaryzacyjny – tzw. polaryzator przed źródłem światła), to światło, odbijając się od powierzchni zmieni swoją polaryzację. Ustawiając kolejny filtr polaryzacyjny w biegu światła odbitego (tym razem nazwiemy go analizatorem) możemy „wyciąć” niepotrzebne odblaski z obrazu, przepuszczając jedynie światło o takiej polaryzacji, która nam niesie istotną informację o obiekcie.

Aby uzyskać taki efekt, polaryzator i analizator należy ze sobą skrzyżować. Linie filtru polaryzatora i analizatora powinny tworzyć ze sobą kąt 90 stopni. Polaryzatory krzyżujemy ze sobą poprzez obrót analizatora umieszczonego w torze optycznym (zazwyczaj tuż pod głowicą) mikroskopu.

Efekt działania filtrów polaryzacyjnych najlepiej widać na zdjęciach poniżej. Na zdjęciu po lewej stronie odbijająca próbka (zgład metalograficzny) jest oświetlona światłem niespolaryzowanym, przez co w obrazie nie widzimy różnic w kolorach na jej powierzchni. Z kolei na zdjęciu z prawej strony widzimy już różnice w kolorach na powierzchni próbki. W tym przypadku do sensora kamery dotarło światło spolaryzowane liniowo, po przejściu przez skrzyżowane ze sobą filtry polaryzacyjne. Obserwacja takiej próbki w prostej polaryzacji umożliwiła obserwowanie struktury obiektu, która była bardzo słabo widoczna w świetle niespolaryzowanym.

Ta sama próbka obserwowana bez polaryzacji (na lewo) i z polaryzacją (po prawej). Widoczne są zupełnie nowe detale struktury obserwowanej powierzchni.

Polaryzacja ma znacznie więcej zastosowań w mikroskopii niż tylko obserwacja powierzchni odblaskowych. Tę technikę mikroskopowania wykorzystuje się głównie w obserwacji obiektów anizotropowych, jakimi są na przykład kryształy. Obiekty anizotropowe to takie obiekty, których współczynnik załamania jest zależny od kierunku. Przykładowo kwarc charakteryzuje się dwoma współczynnikami załamania. Innym, szkolnym przykładem wykorzystywanym na lekcjach biologii, jest obserwacja w świetle spolaryzowanym ziaren skrobi występujących w ziemniaku.

Obrazowanie naprężeń

W niektórych przypadkach anizotropowość może zostać wywołana sztucznie. Poprzez wywołanie naprężeń w materiale, jego współczynnik załamania ulega lokalnym zmianom. Oczywiście gołym okiem nie jesteśmy w stanie zobaczyć, czy np. szkło okularowe włożone w oprawkę lub szkło okienne ma odpowiedni rozkład naprężeń. Te subtelne różnice możemy jednak obserwować w świetle spolaryzowanym. Zdjęcie poniżej przedstawia wnętrze obciążonej, plastikowej linijki, tuż przy jej krawędzi. W małych powiększeniach widać przejście kolorów w polu widzenia wskazujące na różny rozkład naprężeń w materiale.

Efekt tęczy odzwierciedla wewnętrzne naprężenia w materiale.

 Zobacz w naszym katalogu: Kamera Moticam PRO S5

Obserwacja powierzchni kontrastowych

Kolejnym przydatnym zastosowaniem polaryzacji w mikroskopii jest kontrola powierzchni płaskich. Niektóre próbki mają zróżnicowaną powierzchnię – część jest odbijająca, a część silnie absorbująca światło. Obserwowanie ich w naturze nie jest dużym kłopotem, ponieważ nasze receptory wzrokowe mają doskonałą czułość. Gorzej radzą sobie matryce kamer mikroskopowych, przez co dokumentacja zdjęciowa tego typu powierzchni może być kłopotliwa. Oczywiście możemy zastosować HDR (składanie kilku zdjęć o różnych czasach ekspozycji), lecz znacznie wygodniej zastosować filtry polaryzacyjne. 

W przypadku próbek silnie kontrastowych, polaryzacja pozwala na wydobycie detali zazwyczaj zupełnie niewidocznych. Wszystko to w sposób naturalny, poprzez prostą korekcję optyczną, bez stosowania funkcji HDR.

Czasem polaryzacja może być wykorzystywana w celu wyeksponowania zadrapań i uszkodzeń powierzchni, które są niemal niewidoczne w świetle niespolaryzowanym. Na zdjęciach poniżej widać, w jaki sposób światło spolaryzowane wyodrębnia uszkodzenia na powierzchni szkła okularowego. Korzystanie z filtrów polaryzacyjnych sprawia, że kontrola powierzchni staje się dużo wygodniejsza. 

Polaryzacja w mikroskopii ma mnóstwo zastosowań, w tym artykule zostało przytoczonych jedynie kilka z nich. Zapraszamy do konsultowania z nami swoich problemów. Chętnie pomożemy w doborze najlepszych konfiguracji mikroskopów, kamer i systemów obrazowania. Udanych obserwacji!