Оптическая микроскопия

Для исследования и измерения объектов малых объектов используются такие оптические приборы как микроскопы. Класс оптических микроскопов очень разнообразен и включает в себя оптические, интерференционные, люминесцентные, инфракрасные и т.п.

Микроскоп представляет собой комбинацию двух оптических систем – объектива и окуляра. Каждая система состоит из одной или нескольких линз.

Перед объективной линзой размещается объект, перед глазом наблюдателя располагается окулярная линза. Для наглядного представления прохождения света через оптическую систему пользуются представлениями геометрической оптики, в которой основным понятием является луч света, направление луча совпадает с направлением волнового фронта.

Принципиальная схема получения изображения в оптическом микроскопе представлена на рис.1. Для простоты построения изображения на рисунке система линз объектива заменена одной собирающей линзой L₁, а система линз окуляра - линзой L₂. Предмет АВ помещается перед фокальной плоскостью объектива, который создает увеличенное действительное изображение А'В' предмета вблизи переднего фокуса окуляра. Изображение А'В' находится немного ближе переднего фокуса окуляра F₂. В этом случае окуляр создает увеличенное мнимое изображение А"В", которое проектируется на расстояние наилучшего зрения и рассматривается через окуляр глазом.

Оптический микроскоп характеризуется следующими основными параметрами: увеличение, разрешение, глубина фокуса (резкости), поле зрения.

Увеличение определяется увеличительной способностью всех линз, включаемых в ход оптических лучей. Можно предположить, что, подбирая соответствующим образом значения увеличения объектива и окуляра, можно получить микроскоп со сколь угодно большим увеличением. Однако на практике не используют микроскопы с увеличением свыше 1500 – 2000 крат, так как возможность различения мелких деталей объекта в микроскопе ограничена. Это ограничение обуславливается влиянием дифракции света, происходящей в структуре рассматриваемого объекта. Благодаря волновой природе света изображение каждой точки объекта в плоскости изображений имеет вид концентрических темных и светлых колец, вследствиечего близко расположенные точки объекта на изображении сливаются. В связи с этим вводят понятия предела разрешения и разрешающей способности микроскопа.

Пределом разрешения микроскопа называется наименьшее расстояние между двумя точками объекта, когда эти точки различимы, т.е. воспринимаются в микроскопе не сливающимися друг с другом.

Предел разрешения определяется формулой δ=0,51·λ/A, величина А=n·sinu называется числовой апертурой микроскопа; λ- длина волны света, освещающего предмет; n - показатель преломления среды между объективом и предметом; u - апертурный угол объектива, равный половине угла между крайними лучами конического светового пучка, входящего в объектив микроскопа.

Данные о каждом объективе маркируются на его корпусе с указанием следующих параметров):

1) увеличение («х» – кратность, размер);

2) числовая апертура: 0,20; 0,65, пример: 40/0,65 или 40х/0,65;

3) дополнительная буквенная маркировка, если объектив используется при различных методах исследования и контрастирования: фазовый – Ф, поляризационный – П (Pol), люминесцентный – Л (L), и т.п.

4) маркировка типа оптической коррекции: апохромат – АПО (АРО), планахромат – ПЛАН (PL, Plan),.

Разрешающей способностью микроскопа называется способность микроскопа давать раздельное изображение мелких деталей предмета. Разрешающая способность - это величина, обратная пределу разрешения ξ = 1/δ.

Как видно из формулы, разрешающая способность микроскопа зависит от его технических параметров, но физический предел этого параметра определяется длиной волны падающего света.

Повысить разрешающую способность микроскопа можно, заполнив пространство между предметом и объективом иммерсионной жидкостью с большим показателем преломления.

Глубиной резкостиназывается расстояние от самой ближней плоскости до самой дальней плоскости объекта, которые изображаются приемлемо сфокусированными.

Если точки предмета находятся на различных расстояниях перед объективом (в разных плоскостях), то формируемые им резкие изображения этих точек будут находиться также на различных расстояниях позади объектива. Это должно означать, что резкие изображения могут быть образованы только точками, лежащими в одной плоскости. Остальные точки в этой плоскости будут отображаться кружками, которые называются кружками рассеяния. Величина кружка зависит от расстояния от данной точки до плоскости отображения. Вследствие ограниченной разрешающей способности глаза точки, отображаемые малыми кружками, будут восприниматься как точки и соответствующая плоскость объекта будет рассматриваться как сфокусированная. Глубина резкости тем больше, чем короче фокусное расстояние объектива, чем меньше диаметр действующего отверстия (диаметр оправы линзы или отверстия диафрагмы). На рис.2.показана зависимость глубины резкости от перечисленных факторов. При прочих равных условиях, то есть при F постоянном и также постоянном расстоянии от объектива до объекта, для увеличения глубины резкости уменьшают диаметр действующего отверстия. С этой целью между линзами объектива устанавливается диафрагма, позволяющая изменить диаметр входного отверстия.

Поле зрения оптической системы - часть пространства (плоскости), изображаемая этой системой. Величина поля зрения определяется входящими в систему деталями (такими как оправы линз, призм и зеркал, диафрагмы и пр.), которые ограничивают пучок лучей света.