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什么是相位物体?

什么是相位物体? 锐光凯奇raycage
2025-03-17
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导读:物体可以分为振幅物体和相位物体。振幅物体是通过改变光的振幅来成像的,比如普通的照片,颜色和亮度变化。而相位物体不会改变光的振幅,而是改变光的相位,这样在普通显微镜下可能看不到,因为人眼或普通探测器对相

相位物体这个词在高中物理和本科生大物介绍显微镜光学成像技术中出现过这个概念。首先,物体可以分为振幅物体和相位物体。振幅物体是通过改变光的振幅来成像的,比如普通的照片,颜色和亮度变化。而相位物体不会改变光的振幅,而是改变光的相位,这样在普通显微镜下可能看不到,因为人眼或普通探测器对相位变化不敏感。

总结一下可以归纳为--振幅物体:吸收光线,振幅减小,波长与相位不变Phase object;相位物体:由于物体内外表面折射系数不同,相位改变,但振幅不变。水和玻璃是典型的相位物体,如图1:

图1 水和玻璃是日常可见的相位物体

水和玻璃是日常可见的相位物体,它们是几乎完全透明,对光吸收的很少,入射光振幅变化很小。内部不均匀产生的相位变化肉眼是感受不到的,这就是相位物体的特点。人眼看不到相位物体的原因是:相位物体是由相位差或光程差(可由折射率或厚度差引起)所表示的物体。这种物体的 振幅透过率分布是均匀的,但其折射率或厚度的空间分布是不均匀的,由于人眼或其它任何光探测器都只能辨别光强度的变化,所以人们只能判断物体所导致的振幅变化而无法判断相位的变化,因此也就不能“看见”相位物体,即不能区分相位物体内厚度或折射率不同的各部分。

在生物样本中,很多细胞结构是透明的,它们不会明显吸收光,但会因为厚度或折射率的不同导致光通过时的相位延迟,这样的物体就可以理解成为相位物体。

目前观察生物细胞和组织:如活细胞,其内部的细胞质、细胞核等结构的折射率与周围介质不同,光通过细胞不同部位时相位变化不同,因细胞透明度高对光强影响小,利用相位对比显微镜或者微分干涉相差显微镜来观察细胞内部结构和动态过程,原理是将设法把相位变化转化为光强变化,实现观察透明物体结构,这已经是很成熟的技术了。

大气中的气团:大气中不同温度、湿度和气压的气团可视为相位物体,光线穿过时,因气团的折射率差异,会使光波相位改变,导致星光闪烁及天文观测中的图像模糊等现象。

通过几个小视频给大家介绍司空见惯的相位物体:玻璃、水和空气:
视频1 相位物体:水和玻璃
在视频中玻璃和水的交界处还是可以看到边界的原因是水的折射率1.33,玻璃是1.52,差距还是比较大,因此看到了边界。
视频2是使用纹影“观看”相位物体的相位:
视频2 使用纹影观看相位物体
通过视频2可以看到玻璃的相位变化,对于相位物体的测量与成像研究是光 学测量技术的一个重要课题,无论在生物、医学还是工业生产过程,相位物体成像技术都发挥着重要的作用,主要理念就是将相位变化转换为可见的亮度或颜色变化,需借助特殊成像技术测量相位物体主要有四种方法:暗场法、纹 影 法、相 衬法和干涉测量方法。荷兰格罗宁根 大学的泽尼克(F.Zernike)根据Abbe原理提出的相衬法 (Phase Contrast)对相位物体成像技术具有划时代的意义,Zernike也因此荣获 1953年的诺贝尔物理学奖。
本次推送的内容主要是从科普的角度介绍什么是相位物体,未来将专门推送一期内容介绍相位物体的相位检测方法,敬请关注。

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