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关于微分干涉的原理及部分应用

发布者：菲涅尔发布时间：2022-09-23

微分干涉原理：

在现代显微镜观察检验方法中 , 尤其在工业显微镜应用领域，除了常规的明视场BF（Bright field）和暗视场DF(Dark field)观察方法, 微分干涉相衬观察法 (DIC：Differential interference contrast) 作为一种新兴的观察检验方法 , 作为检验观察的一种强有力的工具 , 越来越多的被使用。尤其随着微电子，平板显示行业的快速发展，微分干涉观察法甚至成为某些制程，比如位错检查，导电粒子压合，硬盘制造检测的关键手段。

其特点主要为 :

(1) 对金相样品的制备要求降低 , 对于某些样品 ,甚至只需抛光而不必腐蚀处理即可进行观察。优点是可以观察到样品表面的真实状态 ,如将试样抛光后在真空下发生马氏体相变 ,不用腐蚀就可以观察到马氏体的相变浮凸 ;

(2) 所观察到的表面具有明显的凹凸感 ,呈浮雕状 ,样品各组成相间的相对层次关系都能显示出来 ,对颗粒、裂纹、孔洞以及凸起等都能作出正确的判断 ,提高了检验准确性 ,同时也增加了各相间的反差 ;

(3) 用微分干涉相衬法观察样品 ,会看到明场下所看不到的许多细节 ,明场下难于判别的一些结构细节或缺陷 ,可通过微分干涉进行反差增强而容易判断 ;

(4) 微分干涉相衬法基于传统的正交偏光法 ,又巧妙地利用了在渥拉斯顿棱镜基础上改良的诺曼斯基DIC 棱镜 ,使所观察的样品以光学干涉的方法染上丰富的色彩 ,便于观察。

微分干涉相衬观察法——

到了20世纪50年代，最初的微分干涉相衬系统（DIC），首先由Francis Smith于1955年提出，是在偏振光显微镜加入两个沃拉斯顿棱镜，一个在聚光镜的前焦面，另一个在物镜的后侧焦面。几年后，乔治.诺马斯基，波兰裔法国物理学家，改良了标准沃拉斯顿棱镜结构，利用偏光干涉的原理，从起偏镜射出的线偏振光通过一个有双折射性质的诺马斯基棱镜（改良的渥拉斯顿棱镜）做成的分光束器件，它是由两片沿对角线切开的棱镜粘合而成的，线偏振光射入棱镜时分解成两束互相垂直振动的有一定相位差的偏振光，两个裂距极小的相干光束照射到样品后，视场中样品表面上每一点的微小凹凸和折射率不同都会引起这两个光束之间的光程差，返回的光束经诺马斯基棱镜重新汇合，再通过检偏镜后使它们的振动方向一致而发生干涉，样品细节因光束发生干涉、振幅变化而变得明暗对比增强，同时样品细节图像呈现出三维立体的浮雕状效果。诺马斯基棱镜可做水平移动调节，类似相位移动的补偿器的作用，使视场中物体和背景之间的亮度和干涉颜色发生变化，从而达到理想的观察效果。

同样的，对于反射式的金相显微镜来说，微分干涉观察法的实现，也是在光路中增加起偏镜和检偏镜，以及诺曼斯基微分干涉棱镜，和透射观察方法不同的是，在光路中只需要放置一块微分干涉棱镜，经过起偏镜的入射光经过诺曼斯基棱镜后，分解成O光和E光两束经过物镜照射在样品上，经过样品的反射，再次经由物镜，并再次穿过诺曼斯基棱镜，经由检偏镜汇合发生干涉，形成DIC图像。

DIC观察的特点

样品表面的细微的高度变化可以放大，并呈现3D效果; 对于原本有高度差异的表面，可以突出层次，分层观察，如IC线条; 对透明的膜层或透明样品的因为光程差的差异由不可见变为可见，如透明膜或光刻胶等；对于样品表面由于密度不同，导致光程差不同，由不可见变为可见，比如位错的观察，导电粒子的观察等; 同时，得益于OLYMPUS全新的UIS2的无限远光学系统，所有物镜只需要用同一个微分干涉棱镜，操作也非常简单。