---
title: "Zernike：用参考波看清透明结构"
description: "透明样品已经改变了光波，普通图像为何仍然几乎没有明暗？"
canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/zernike-phase-reference/"
language: "zh-CN"
page_type: "story"
alternate_languages:
  en: "https://sandboxphysics.com/stories/probe-evidence/zernike-phase-reference/"
last_modified: "2026-10-22"
---

[衍射、相位与表面结构](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/#structure)

装置 · 观测 · 推断

# Zernike：用参考波看清透明结构

Sandbox Physics · 2026-10-22

透明样品已经改变了光波，普通图像为何仍然几乎没有明暗？

1. 透明样品
2. 直射光与衍射光
3. 瞳面相位调制
4. 像面干涉

相位元件应放在能分开光源像与衍射光的平面，不能直接盖在样品像上。

## 光波变了，亮度未必立刻变

薄透明物主要让光慢一步，相位变了，振幅却几乎不变。对弱相位物体，准确合焦的普通强度像因此缺少一阶明暗。染色能增加吸收，却改变制样，也可能妨碍观察活体。

Zernike 的 1953 年讲稿从光栅缺陷和微弱鬼线讲起。他用相干参考波比较它们，揭示相对相位；显微方法由控制这种相位关系发展而来，并非发现了透明物会强烈吸光。

来源：[1] [2]

## 先在瞳面分开，再到像面相遇

物镜在后焦面附近形成光源像，直射光集中在那里，样品衍射光分布在周围。放对位置的相位条或相位环改变两者的相对相位，通常还削弱直射部分；到像面时，两束光重新叠加。

参考波没有额外拍一张样品照片。它提供一个光场，让样品带来的微小变化与之干涉。在成像结果上加一层颜色，不能完成这项光学操作。

来源：[1]

## 小相位极限，把机制算清楚

把入射光场幅度选成实数一，样品只加一个很小的无量纲相位。普通成像中，样品的一阶场与直射场正交，线性强度项消失。若只给直射场加正四分之一周期相移，理想像强度就出现与样品相位成正比的项。

下式符号对应所选正相移；反转相对相移，明暗也反转。计算忽略吸收、有限数值孔径和相位环的空间范围，用来解释对比产生，不是定量恢复相位的算法。

$$
\begin{aligned}t&\simeq1+i\phi\\|t|^2&=1+O(\phi^2)\\I_{\mathrm{shift}}&\simeq|i+i\phi|^2\simeq1+2\phi\end{aligned}
$$

来源：[1]

## 亮边不一定是真实边界

实际物镜孔径有限，相位元件还会作用到部分低角衍射光，图中可能出现晕圈与内部对比减弱。没有标定传递模型，就不能把亮度普遍当成厚度、折射率或干质量。

这也要求把光学 Zernike 相衬与电子相衬成像分开。两者都有干涉，照明、相互作用势和传递函数却不同；不能因为都有“相位”，便用一次解释替两种仪器验收。

来源：[1]

## 解释图像前，先找到参考波

先读讲稿中的光栅实验与相位条，再看生物应用。进入模型后，在相同孔径下比较振幅样品与相位样品，随后改变瞳面处理。关键预测是：相对相位改变时，像的明暗该怎样变。

来源：[1]

## 接着探索相关模型

每个入口都说明已有模型能解释什么，以及历史测量还多了哪一步。

### [比较相位与振幅成像](https://sandboxphysics.com/zh/labs/phase-microscopy-lab/)

固定物体，改变衬度方式。

这是光学传递教学计算，不是标定的活细胞测量。

## 来源与阅读说明

光栅与相位条叙述依据托管原讲稿；弱物体推导是独立理想计算，已说明符号约定。

1. [F. Zernike, How I discovered phase contrast (1953)](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/zernike-lecture.pdf)

   核读光栅鬼线、参考波、相位条与显微镜成像部分，重点第 239–244 页；官方 PDF 返回 403。 [阅读托管原稿](https://www.nevis.columbia.edu/~haas/documents/physics_nobel_lectures/physics42-62-1.pdf)

2. [Nobel Prize Museum, Revealing secrets on a tiny scale: Zernike section](https://www.nobelprize.org/microscopes/)

   核读机构 Zernike 叙述中的透明样品与活细胞应用；不采用其简化的 STM 说明。

[探针、光与测量：读懂证据](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/) [Laue 与 Bragg 父子：从斑点走向晶体结构](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/laue-bragg-crystal-inference/) [STM：等电流轮廓为何不只是地形](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/stm-current-and-surface-inference/) [电子衍射：两种实验，同一个波长检验](https://sandboxphysics.com/zh/stories/electron-evidence/electron-diffraction-crystal-records/) [Ruska：形成电子图像，只是第一步](https://sandboxphysics.com/zh/stories/electron-evidence/ruska-electron-microscope-resolution/) [Kai Siegbahn：电子能量怎样开始揭示化学环境](https://sandboxphysics.com/zh/stories/electron-evidence/siegbahn-electron-spectroscopy-chemical-shifts/)