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偏振光是一种对比增强技术，与其他技术（例如暗场和明场照明，微分干涉对比，相位对比，霍夫曼调制对比和荧光）相比，可以提高使用双折射材料获得的图像的质量。偏光显微镜具有很高的灵敏度，可用于针对各种各向异性样品的定量和定性研究。定性偏振显微镜在实践中非常流行，有大量的文献专门针对该主题。相反，主要用于晶体学的偏光显微镜的定量方面则代表了一个难度更大的课题，通常仅限于地质学家，矿物学家和化学家。
偏光显微镜旨在观察和拍摄可见的标本，这些标本主要是由于它们的光学各向异性特征。为了完成此任务，显微镜必须配备一个位于样品前某处的光路中的偏光镜和一个位于物镜后孔径之间的光路中的检偏器（第二个偏光镜；见图1）。以及观察管或摄像机端口。图像对比度来自平面偏振光与双折射（或双折射）样本的相互作用，从而产生两个单独的波分量，每个分量在相互垂直的平面中偏振。这些组件的速度称为普通波前和异常波前（图1）不同，并随穿过样品的传播方向而变化。离开样品后，光成分变得异相，但是当它们通过分析仪时，会与相长干涉和相消干涉重新组合。这些概念在图1中概述了假设双折射样品产生的波前场。此外，图中还展示了现代偏振光显微镜的关键光学和机械组件。
偏振光显微镜能够以类似于明场照明的方式提供有关不同折射率的矿物之间的吸收颜色和光路边界的信息，但是该技术还可以区分各向同性和各向异性物质。此外，对比度增强技术利用了各向异性特有的光学特性，并揭示了有关材料的结构和组成的详细信息，这些信息对于鉴定和诊断目的是无价的。
各向同性材料，包括各种气体，液体，无应力玻璃和立方晶体，在各个方向上探测时都显示出相同的光学特性。这些材料只有一个折射率，并且对通过它们的光的振动方向没有限制。相反，包括所有固体物质的90％的各向异性材料，其光学特性会随着入射光与晶轴的方向而变化。它们证明了折射率的范围取决于光通过物质的传播方向和振动平面坐标。更重要的是，各向异性材料充当分束器，并将光线分为两个正交分量（如图1所示）。偏振显微镜技术利用了分开的光线的干涉，因为它们沿着相同的光路重新结合以提取有关各向异性材料的信息。
探索当圆形镜台旋转360度时，双折射各向异性晶体如何与光学显微镜中的偏振光相互作用。
偏光显微镜在地质科学中的应用也许是常用的，它主要研究岩石薄层中的矿物。但是，很容易在偏振光下检查多种其他材料，包括天然和工业矿物，水泥复合材料，陶瓷，矿物纤维，聚合物，淀粉，木材，尿素以及许多生物大分子和结构组件。该技术可以成功定性和定量地使用，是材料科学，地质学，化学，生物学，冶金学乃至医学的出色工具。
尽管对偏振显微镜的分析技术的理解可能比其他形式的显微镜更为苛刻，但值得一提的是，仅针对通过明场成像可以获得的增强信息。对偏振光显微镜基本原理的认识对于有效解释微分干涉对比（DIC）也是必不可少的。
光的波模型描述了与传播方向成直角振动的光波，所有振动方向均相等。这被称为“普通”或“非偏振”白光。在平面偏振光中，只有一个振动方向（图1）。人眼-大脑系统对光的振动方向不敏感，并且平面偏振光只能通过强度或颜色效果来检测，例如，戴着偏振太阳镜时可以通过减少眩光来检测。
偏振光通常是通过在二向色性介质中吸收具有一组特定振动方向的光来产生的。某些天然矿物（例如电气石）具有此特性，但埃德温·H·兰德博士（Edwin H. Land）于1932年发明的合成膜很快取代了所有其他材料，成为生产平面偏振光的介质。朝向相同方向的硫酸碘喹啉微型晶体嵌入透明的聚合物膜中，以防止晶体迁移和重新取向。陆上开发的包含偏光膜的片材，该片材以Polaroid®的商品名销售，这已经成为这些片材的通用名称。现在，任何能够从自然（非偏振）白光中选择平面偏振光的设备都称为极光或偏光片，由AF Hallimond于1948年提出。如今，偏光镜已广泛用于液晶显示器（LCD），太阳镜，摄影，显微镜以及各种科学和医学用途。
偏光显微镜中有两个偏光滤镜-称为偏光镜和检偏镜（见图1））。偏振片通常放置在样品台下方，其振动方位角固定在左右或东西方向，尽管大多数这些元件可以旋转360度。该分析片通常与朝着振动方向的南北方向对齐，但在某些显微镜下也可以旋转，被放置在物镜上方，并可根据需要移入和移出光路。当检偏器和偏振器都插入光路时，它们的振动方位角彼此成直角。在这种配置中，偏振器和检偏器被认为是交叉的，没有光穿过系统，并且目镜中没有暗视场。
对于入射光偏振显微镜，偏振器位于垂直照明器中，检偏器位于半反射镜上方。大多数可旋转的偏振器都有刻度，以指示透射方位角的旋转角度，而检偏器通常固定在适当的位置（尽管可以旋转90度或360度）。偏光镜和检偏镜是偏光显微镜的基本组件，但其他所需的功能还包括：
专用载物台-360度圆形旋转样品载物台，可通过物镜和显微镜光轴对中物镜和载物台进行定心，以使旋转中心与视场中心重合。为偏振光显微镜设计的许多平台还包含游标刻度，因此可以将旋转角度测量到0.1度的精度。为了进一步研究锥镜图像，还可以使用具有多个旋转轴的通用载物台来从任何方向观察标本。
无应变的物镜-组装过程中引入物镜玻璃的应力会在偏振光下产生伪光学效应，这可能会影响性能。物镜设计用于偏振光观察从与题字普通物镜区分P，PO，或波尔在桶。物镜的性能受到几个因素的限制，包括在镜片表面上使用的抗反射涂层以及由于入射光在前镜片上的角度而引起的折射特性。此外，透镜应变可能会在透镜组中的各个元素之间的水泥接合处引入，或者从安装得过紧的单个或一组透镜中引入。
可定心旋转物镜转盘-由于物镜的光轴位置因组件而异，因此许多偏振光显微镜都配备了专门的物镜转盘，该物镜转盘包含用于单个物镜的对中机构。这样可以使每个物镜相对于镜台和显微镜光轴居中，从而在镜台旋转360度时，标本特征仍保留在视场的中心。
无应变聚光镜-为偏光显微镜设计的聚光镜具有几个共同点，包括使用无应变透镜。一些聚光镜配备有用于偏振片的容器，或者具有在孔径光阑下方直接将偏振元件安装到聚光镜中的功能。许多偏振光聚光镜都有一个顶部透镜，可以将其从光路上移开（摆动透镜聚光镜），以产生几乎平行的照明波前，以进行低倍率和双折射观察。
目镜-偏光显微镜目镜装有十字线标线片（或刻度线）以标记视场的中心。通常，用十字线掩模版代替显微照相掩模版，该掩模版掩模版有助于聚焦标本并用一组界定视场区域的框架构成图像，以数字方式或在胶片上捕获。目镜相对于偏光镜和检偏镜的方向是通过插入观察管套筒的点销来保证的。
Bertrand透镜-安装在中间管或观察管内的专用透镜，Bertrand透镜将在物镜后焦平面形成的干涉图样投射到显微镜图像平面上的焦点上。镜头的设计使得可以轻松地检查物镜的后焦平面，从而可以精确调节照明光圈并查看干涉图，类似于图2中所示。请注意，在图2（a）和2（b）中，干涉图表示在偏振光中用单轴晶体观察到的干涉图，而图2（c）中的图是插入了一阶延迟板的典型单轴晶体的图。进入光路。
补偿板和延迟板-许多偏振光显微镜都有一个狭缝，可以在交叉的偏振片之间插入补偿板和/或延迟板，以增加样品的光程差。在大多数现代显微镜设计中，此插槽要么位于显微镜物镜转盘中，要么位于位于主体和目镜筒之间的中间管中。然后将插入插槽中的补偿板放置在样品和分析仪之间。
偏振光显微镜可用于反射光（入射光或落射光）和透射光。反射光可用于研究不透明材料，例如陶瓷，矿物氧化物和硫化物，金属，合金，复合材料和硅片（参见图3）。反射光技术需要一组专用的物镜，这些物镜尚未经过校正才能通过盖玻片观察，而用于偏振工作的物镜也应无应变。
在示出的图3是一系列成像利用这种技术典型试样的反射偏振光显微照片。左侧（图3（a））是显示微处理器集成电路表面特征的数字图像。电路制造中使用的双折射元件在图像中清晰可见，该图像显示了芯片算术逻辑单元的一部分。陶瓷超导晶体（铋基）的表面有瑕疵，如图3（b）所示，该图显示了双折射晶体区域，其干涉色散布着晶界。用反射的偏振光也可以看到金属薄膜。图3（c）图1示出了气泡，该气泡在夹在镍/氯化钠衬底上的另外汇合的铜薄膜（约0.1微米厚）中形成缺陷，从而形成金属超晶格组件。
仔细准备样品对于获得偏振光显微镜中的良好结果至关重要。选择的方法将取决于所研究材料的类型。在地质应用中，岩石薄片的标准厚度为25-30微米。可以使用浸有金刚石的砂轮将样品磨碎，然后使用粒度逐渐减小的磨料粉末将其精加工成正确的厚度。最终样品应具有用光学透明粘合剂粘合的盖玻片。可以使用切片机以类似于生物样品的方式制备较软的材料。厚度在1到40微米之间的切片用于透射光观察。这些应无应力，并且没有任何刀痕。使用固定介质将生物样品和其他软样品固定在载玻片和盖玻片之间，其组成将取决于样品的化学和物理性质。这在合成聚合物的研究中尤为重要，在合成聚合物中，某些介质会与所研究的材料发生化学反应，并导致结构变化（伪像）退化。
可以在平面偏振光（从光路中取出的分析仪）或交叉偏振器（插入光路的分析仪）中获得不同级别的信息。在平面偏振光中的观察揭示了光学浮雕的细节样品的折射率，这表现在边界的可见性中，并随折射率的增加而增加。安装粘合剂和样本的折射率差异决定了光线从不平坦的样本表面射出时的散射程度。高浮雕的材料似乎从图像中脱颖而出，其折射率与安装介质明显不同。通过与已知折射率的油进行比较，使用浸没折光法测量折射率未知的物质。
平面偏振光下透明或半透明材料的检查与自然光下的检查相似，直到样品绕显微镜的光轴旋转为止。然后，观察者可以看到被检查材料的亮度和/或颜色的变化。该多色性（用于描述吸收颜色随光的振动方向变化的术语）取决于材料在光路上的取向，并且仅是各向异性材料的特征。表现出多相性的材料的一个例子是青石棉，通常被称为蓝色石棉。疏油效应有助于鉴定多种材料。
偏振色是由各向异性样本分裂的两个光分量的干涉引起的，可以将其视为白光减去那些相消干涉的颜色。图2示出了在物镜后焦平面处观察到的单轴晶体的锥光图像。干涉图案是由沿着观察到的晶体的不同轴传播的光线形成的。单轴晶体（图2）显示出干涉图样，该干涉图样由形成马耳他十字形图案的两个相交的黑条（称为等角线）组成。当用白色（偏振）光照射时，双折射样品会产生干涉色的圆形分布（图2），内圈称为异色，由越来越低的阶数颜色组成（请参见Michel-Levy干涉色表，图4）。黑十字和异色素的共同中心称为黑斑，它表示沿晶体光轴传播的光线的起源。双轴晶体显示两个黑斑（未示出）和干涉环的复杂得多的图案。
光的两个正交分量（普通和异常波）以不同的速度穿过样品并经历不同的折射率，这种现象称为双折射。双折射的定量测量是波前折射率之间的数值差异。较快的光束首先以光程差（OPD）从标本中出现，这可被视为较慢光束的“获胜余量”。分析仪仅重新组合了沿相同方向传播并在同一平面振动的两个光束的分量。偏振器可确保重组时两个光束具有相同的振幅，以实现最大的对比度。
发现在偏振光显微镜中观察时，样品的双折射如何受到偏振器角度的影响。
穿过分析仪的光的相长干涉和相消干涉发生在正交分量之间，具体取决于样品的光程差和光的波长，这可以从偏振色的顺序确定。这种效果取决于样品的特性，包括两个相互垂直的光束的折射率和双折射之间的厚度差，其最大值取决于样品和通过样品的光传播方向。光程差可用于从样本中提取有价值的“倾斜”信息。
叠加在偏振颜色信息上的是强度分量。当样品相对于偏振镜旋转时，偏振色的强度会周期性地变化，从零（消光；图5（d））到45度的最大亮度（图5（a）），然后回落到旋转90度后为零，这就是为什么在偏光显微镜中提供一个旋转载物台和定心，这是确定样品定量方面的关键要素。物镜和载物台的定心确保载物台旋转的中心与视场中心重合，以便在旋转时将样品保持在精确的中心。
每当样品消光时，通过的光的允许振动方向与偏振器或检偏镜的振动方向平行。这一事实可能与样品的几何特征有关，例如纤维长度，薄膜挤出方向和晶体面。在交叉偏振照明中，各向同性材料可以轻松地与各向异性材料区分开，因为当平台旋转360度时，它们将永久消光（保持黑暗）。
为了帮助识别快和慢波前，或在偏振色为低阶（例如深灰色）时改善对比度，可以在光路中插入辅助延迟板或补偿器。这些将导致样品中的颜色变化，这可以借助偏振色图（米歇尔-利维图；见图4）来解释。这些图表说明了从0到1800-3100纳米的光程差以及双折射和厚度值提供的偏振色。波片产生其自身的光程差，该光程差可从样本的光程差中增加或减少。当光先通过样本然后通过附件板时，波板和样本的光程差被加在一起或相减，以计算两个种族的“获胜余量”连续进行的方式。当样品和延迟板的慢振动方向平行时将它们相加，而当样品的快振动方向与附件板的慢振动方向一致时将它们相减。如果延迟板的慢方向和快方向是已知的（通常在市售板的底座上标出），则可以推算出样品的方向。由于这些方向是不同介质的特征，因此非常值得确定，并且对于方向和压力研究至关重要。
偏光显微镜的优势可以通过检查特定的案例研究及其相关图像来最好地说明。本节中说明的所有图像均使用配有偏光附件的显微镜记录，该偏光附件是专为分析研究而设计的研究级仪器。如上所述，偏振光显微镜被广泛用于包括医学，生物学，地质学，材料科学和食品工业的学科。交叉偏振器之间易于检查的标本来自多种天然和合成来源，包括痛风晶体，淀粉样蛋白，肌肉组织，牙齿，矿物质，固体晶体，液晶，纤维，脂肪，玻璃，陶瓷，金属，合金，其中。
偏光显微镜最常见的医学应用之一是用一阶延迟板鉴定痛风晶体（尿酸钠）。这种做法非常普遍，以至于许多显微镜制造商为他们的实验室明场显微镜提供了痛风包附件，医生可以购买。痛风是一种急性复发性疾病，由尿酸盐结晶沉淀引起，其特征是关节疼痛，主要是脚和手发炎。实际上，几滴新鲜的滑液被夹在显微镜载玻片和盖玻片之间，并用指甲油密封以防止干燥。准备好样本后，在交叉偏振器之间检查，并在光路中插入一阶相位差板。
尿酸单钠晶体生长在具有双折射的负的光学标志，这产生黄色（减法）干扰时，晶体的长轴被定向为平行于第一阶延迟片的慢轴（彩色延伸的棱柱图6（一））。将晶体旋转90度会将干涉色变为蓝色（附加色；图6（b））。相反，假痛风焦磷酸盐晶体具有类似的伸长生长特性，当平行于延迟板的慢轴取向时显示蓝色干涉色（图6（c）），显示黄色（图6（d）））垂直时。双折射的符号可以用来区分痛风晶体和由焦磷酸盐组成的晶体。痛风也可以通过偏光显微镜在从四肢制备的人体组织的薄切片中进行鉴定。偏振光还可用于医学领域，以识别淀粉样蛋白，这种蛋白是由代谢缺陷产生并随后沉积在多个器官（脾，肝，肾，脑）中的，但在正常组织中未观察到。
偏光显微镜的优势可以通过检查特定的案例研究及其相关图像来最好地说明。本节中显示的所有图像均使用配备了偏振附件的尼康Eclipse E600显微镜记录，该显微镜是为分析研究而设计的研究级显微镜。
石棉是一组天然矿物纤维的统称，已被广泛用作绝缘材料，制动片和增强混凝土。吸入这些物质可能对健康有害，因此很容易识别它们在环境中的存在很重要。样品通常使用扫描电子显微镜和X射线显微分析进行筛选，但是偏振显微镜提供了一种更快，更容易的替代方法，可用于区分石棉和其他纤维以及主要的石棉类型，包括温石棉，青石棉和铁石棉。从卫生保健的角度来看，人们认为闪石石棉衍生物（青石棉和铁石棉）比蛇纹石，温石棉更具危害性。
平面偏振光提供有关总纤维形态，颜色，多色性和折射率的信息。玻璃纤维和其他各向同性的纤维在平面偏振光的作用下不会受到旋转的影响，而石棉纤维则会显示出多相性。在平面偏振光下，温石棉石棉原纤维可能会出现皱纹，如烫发或受损的头发，而青石棉和铁石棉则是笔直的或略微弯曲的。温石棉的折射率约为1.550，而铁石棉的折射率为1.692，而青石棉的折射率最高，为1.695。注意，闪石石棉产品的折射率值比温石棉高得多。
通过使用交叉偏振器，可以推断出光线穿过样品时允许的振动方向，并且通过一阶延迟板，可以确定慢速和快速振动方向（图7）。在正交偏振器下，温石棉显示出淡淡的干涉色，基本上只限于低阶白色（图7（a））。当添加一阶延迟板（一个波长的延迟值，即530-560纳米）时，光纤的颜色会发生变化。如果光纤沿西北-东南方向对齐，则延迟板是附加的（图7（b）中的白色箭头）），并在光纤中主要产生黄色的减色干涉色。当纤维沿东北-西南方向对齐时（图7（c）），该板会添加添加剂，使纤维产生更高阶的蓝色，而没有黄色。从该证据可以推断出，延迟板的缓慢振动方向（在图7（b）和图7（c）中用白色箭头表示）与纤维的长轴平行。阿莫斯特在这方面是相似的。
Crocidolite显示蓝色，多色性和模糊的棕色偏振色。该光纤的快速振动与长轴平行。总而言之，对三种石棉纤维类型的识别取决于形状，折射率，多色性，双折射以及快慢振动方向。
玄武岩-除了提供有关成分矿物的信息外，使用偏光显微镜检查地质薄层可以揭示有关岩石形成的大量信息。玄武岩，一种变质岩，清楚地显示出在热和应力作用下晶体的排列。在平面偏振图像（图8（a））中可见小规模的褶皱，并且在有和没有一阶延迟板的情况下，在交叉偏振镜下（图8（b））都可以更清楚地定义。交叉的偏光镜图像显示存在多种矿物质，包括灰色和白色的石英以及更高阶颜色的云母。云母的排列很明显。添加一阶延迟板（图8（c））改善对比度，以使图像清晰。
橄榄石-橄榄石是在海中形成的浅灰色岩石，由胶结二氧化硅中胶结的硅质橄榄石组成。矿物的名称源于其与鱼卵的结构相似性，鱼子酱更广为人知。当沙粒通过柔和的气流在碳酸钙或其他矿物质的床上滚动时，海藻石就会形成。这些矿物质在沙粒周围堆积，随后的胶结作用将沙粒转化为相干的岩石。薄截面显示原始的石英核（图9（ac）），在该核上发生了碳酸盐矿物的堆积。
在平面偏振光中（图9（a）），实际上看不见石英，其折射率与水泥相同，而折射率不同的碳酸盐矿物则显示出高对比度。交叉的偏光镜图像（图9（b））显示了灰色和白色的石英颗粒，以及特有饼干色的高阶白色的碳酸钙。一些核中的石英晶粒群表明它们是多晶的，并且是变质的石英岩颗粒。当将一阶相位差板插入光路时（图9（c）），样品中的光路差会变得明显，并且对比度会增强。
在聚合物熔体的固化过程中，可能会有一些聚合物链的组织，该过程通常取决于退火条件。当发生成核时，合成聚合物链通常会切向排列，并且固化区域会径向生长。这些可以在交叉偏振照明下看到为白色区域（称为球晶），并具有明显的黑色消光十字架。当这些球晶撞击时，它们的边界变为多边形。在交叉偏振器中可以清楚地看到这一点，但是在平面偏振光下却看不到。
添加一阶延迟板（图10（a））确认了聚合物链的切线排列。在这些球晶中出现的带状现象表明熔体的冷却缓慢，使聚合物链呈螺旋状生长。关于热历史的信息几乎不可能通过任何其他技术来收集。聚合物熔体中的成核作用可能是偶然污染或与成核表面接触的结果，并可能导致产品明显变弱。核化的识别可以为质量控制提供宝贵的帮助。
其他聚合物可能不是双折射的（由图10（b）中所示的聚碳酸酯样品证明），并且不会显示出基本的二级或三级结构。在其他情况下，生物和合成聚合物都可能经历一系列溶致或热致液晶相变，通常可以在偏振光显微镜中观察和记录。图10（c）示出了在非常高的水溶液浓度（超过300毫克/毫升）下由棒状DNA分子表现出的双折射柱状-己酸液晶相。
尼龙纤维-在平面偏振光下的观察结果（图11（a））揭示了尼龙纤维与固定介质之间的折射率差异，以及不透明的二氧化钛颗粒的存在。交叉偏振器下的图像（图11（b））显示了二阶和三阶偏振色，它们在纤维上的分布表明这是圆柱形的，而不是用于预测机械强度的叶状纤维。使用石英楔形物（图11（c））可以确定双折射测量的光程差。
总之，偏振显微镜提供了大量有关各种样品的组成和三维结构的信息。该技术的范围几乎不受限制，可以揭示有关热历史以及样品在形成过程中所承受的应力和应变的信息。偏振显微镜在制造和研究中很有用，是一种相对便宜且可访问的调查和质量控制工具，可提供任何其他技术都无法提供的信息。
