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光学显微镜观察方式大盘点:霍夫曼调制相衬

  • 2024-12-12
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霍夫曼调制相衬(Hoffman Modulation Contrast,简称HMC)是ROBERT HOFFMAN教授于1975年提出的一种观察方式①,是基于斜照明技术加入偏振镜、狭缝光阑和调制器改进而来的一种透明样品观察技术,特点是有三维立体感,且适用于塑料培养皿,有人称之为“穷人的DIC”,主要用于IVF注射等显微操作。

一、成像原理

斜照明(Oblique Illumination)技术又称离轴照明(Off-Axis Illumination),是一种非常古老的显微镜技术,1866年由德国物理学家August Toepler提出③,并由阿贝聚光镜的发明者Ernst Abbe完善,基本思路是利用偏轴光照射样品,然后经过透明样品发生衍射、反射和折射,最终除了未衍射的0级光,还能把一两个临近级别的衍射光(1级和-1级)用到成像中,从而提升分辨率和焦深,形成浮雕样式的立体成像,因此这种观察方式又称浮雕相衬(Relief Contrast,简称RC)。斜照明很多地方跟简易透射暗场相近,只是它的光阑不是环形的,而是半圆或其他狭缝形状,有更强方向性。题外话一句,极紫外光刻EUV也使用了斜照明技术。

霍夫曼调制相衬在斜照明基础上加入了三个部件,偏振镜,狭缝聚光镜和物镜调制器,使部分衍射光的强度大于背景光,部分衍射光的强度小于背景光,这样就形成更高对比度的立体成像。

 

当前霍夫曼调制相衬的专利已经过了保护期,四大品牌都推出了自己的HMC技术,奥林巴斯Evident叫浮雕相衬RC(Relief Contrast,继承以前RPC的命名),尼康叫高级调制相衬NAMC(Nikon Advanced Modulation Contrast),蔡司叫改进型调制相衬iHMC(Improved Hoffman Modulation Contrast),徕卡叫整合调制相衬IMC(Integrated Modulation Contrast),除了徕卡的是特有的机身调制器取代物镜调制器,其他跟原始设计差距不大。

 

二、关键部件

典型霍夫曼相衬需要三个部件,偏振镜,霍夫曼聚光镜(带狭缝光阑),霍夫曼物镜(带物镜调制器)。

光源偏振镜,偏振镜在光源和聚光镜之间,相当于一个起偏器,它可以旋转,旋转后可以调整成像的立体感和对比度。

 

 

霍夫曼聚光镜(带狭缝光阑),霍夫曼聚光镜又称狭缝聚光镜,一般采用转盘式设计,按照10X/20X/40X三个倍数有不同的狭缝光阑装在聚光镜前焦面,另有留空孔用于明场观察。聚光镜狭缝光阑分为三个部分:占大部分的暗区,不透光;离轴的狭缝,100%透光;狭缝检偏器,连着狭缝,尺寸跟狭缝相近,旋转光源偏振镜会改变这个区域的通光率,可以改变成像立体感和对比度。

 

霍夫曼物镜(带物镜调制器),霍夫曼物镜跟相衬物镜相似,在物镜后端的后焦平面上嵌入了精密的物镜调制器,这个调制器不能移动不能取出。物镜调制器分成三个区域:在边缘的暗区,透射1%光线;狭窄的灰区,透射10-15%光线;透明区,连着灰区,100%透光。霍夫曼物镜能用于明场、暗场和荧光观察,但用在荧光观察时效果不佳,因为有调制器,其透光率低于普通明场物镜。

 

注意:霍夫曼的狭缝光阑和物镜调制器有很强的方向匹配关系,物镜拧紧后,需要调整聚光镜狭缝方向来匹配,非专业人士请不要调霍夫曼物镜或聚光镜,否则很难调节回最佳状态。

另外整合调制相衬IMC的物镜调制器设置在了物镜后焦面的共轭面上,也就是在机身内置而非物镜内置,因此可以使用霍夫曼物镜以外的物镜。但必须提醒的是,IMC是组合消色差设计,物镜与观察头是成套搭配实现消色差的,随便换物镜可能破坏消色差设计导致效果不佳。

 

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