Tétel h az objektív elülső fókuszánál valamivel távolabbra helyezve. A lencse ad valódi, inverz, kibővített kép H’ , amely a szemlencse elülső fókusza és a szemlencse optikai középpontja között helyezkedik el. Ezt a köztes képet az okuláron keresztül úgy tekintjük, mintha nagyítón keresztül. Az okulár ad képzeletbeli, közvetlen, felnagyított kép H, amely a legjobb látástól S ≈ 25 cm távolságra helyezkedik el a szem optikai középpontjától.
Ezt a képet a szemünkkel nézzük, és a retináján képződik. valódi, inverz, redukált kép.
Mikroszkóp nagyítás– a virtuális kép méreteinek aránya a mikroszkóppal nézett tárgy méretéhez képest: 
. Szorozzuk meg a számlálót és a nevezőt a köztes kép méretével H’
:
. Így a mikroszkóp nagyítása megegyezik az objektív nagyításának és a szemlencse nagyításának szorzatával. Lencse nagyítás derékszögű háromszögek hasonlóságával fejezhető ki a mikroszkóp jellemzőivel 
, Hol L
optikai
cső hossza: a lencse hátsó fókusza és a szemlencse elülső fókusza közötti távolság (ezt feltételezzük L
>> F körülbelül). Szemlencse nagyítás
. Ezért a mikroszkóp nagyítása: 
.
4. A mikroszkóp felbontása és felbontási határa. Diffrakciós jelenségek mikroszkópban, Abbe elméletének fogalma.
Mikroszkóp felbontási határz - ez a legkisebb távolság a tárgy két pontja között mikroszkóppal nézve, ha ezeket a pontokat még külön-külön észleljük. A hagyományos biológiai mikroszkóp felbontási határa 3-4 mikron tartományban van. Felbontás mikroszkóp az a képesség, hogy a vizsgált objektum két egymáshoz közel elhelyezkedő pontjáról külön képet adjon, vagyis ez a felbontási határ reciproka.
A fény diffrakciója korlátozza a tárgyak részleteinek megkülönböztetését, ha mikroszkóppal figyeljük őket. Mivel a fény nem egyenes vonalúan terjed, hanem az akadályok (jelen esetben a kérdéses tárgyak) köré hajlik, a tárgyak apró részleteiről készült képek elmosódottak.
E. Abbe javasolta A mikroszkóp felbontásának diffrakcióelmélete. Legyen az a tárgy, amelyet mikroszkóppal akarunk vizsgálni, egy periódusos diffrakciós rács d. Ekkor az objektum minimális részlete, amelyet meg kell különböztetnünk, pontosan a rácsperiódus lesz. Fénydiffrakció a rácson történik, de a mikroszkóp objektív átmérője korlátozott, és nagy diffrakciós szögek esetén nem jut be minden, a rácson áthaladó fény az objektívbe. A valóságban egy tárgy fénye egy bizonyos kúpban terjed a lencse felé. A kapott kép közelebb áll az eredetihez, minél több maximum vesz részt a kép kialakításában. A tárgyból származó fény egy kondenzátorból kúp formájában terjed a lencsére, amelyre jellemző szögletes nyílás
u- az a szög, amelynél a lencse a vizsgált tárgy középpontjából látható, azaz az optikai rendszerbe belépő kúpos fénysugár külső sugarai közötti szög. E. Abbe szerint ahhoz, hogy egy rácsról képet kapjunk, még a legfázisabbat is, a diffrakciós mintázat bármely két rendű sugarának be kell jutnia a lencsébe, például a központi és legalább az első diffrakciós maximumot alkotó sugaraknak. Emlékezzünk vissza, hogy a sugarak diffrakciós rácson való ferde beesésének fő képlete a következő: . Ha a fény szögben jön 
, és a diffrakciós szög első maximum egyenlő 
, akkor a képlet felveszi a formát 
. A mikroszkóp felbontási határát tehát a diffrakciós rács állandójának kell tekinteni 
, ahol a fény hullámhossza.
Amint a képletből látható, a mikroszkóp felbontási határának csökkentésének egyik módja a rövidebb hullámhosszú fény használata. Ebben a tekintetben ultraibolya mikroszkópot használnak, amelyben a mikroobjektumokat ultraibolya sugárzással vizsgálják. Az ilyen mikroszkóp alapvető optikai felépítése hasonló a hagyományos mikroszkópéhoz. A fő különbség az UV-fénynek átlátszó optikai eszközök és a képregisztrációs funkciók használata. Mivel a szem nem érzékeli az ultraibolya sugárzást (ráadásul égeti a szemet, azaz veszélyes a látószervre), fényképező lemezeket, fluoreszkáló képernyőket vagy elektro-optikai konvertereket használnak.
Ha speciális folyékony közeg ún merítés, akkor a felbontási határ is csökken: 
, Hol n- bemerülés abszolút törésmutatója, A
– objektív numerikus rekeszértéke. A vizet merítésként használják ( n
=
1,33), cédrusolaj ( n= 1,515), monobróm-naftalin ( n
=
1.66), stb. Minden merítési típushoz külön objektív készül, amely csak ezzel a bemerítéssel használható.
A mikroszkóp felbontásának csökkentésének másik módja a rekesznyílás szögének növelése. Ez a szög az objektív méretétől és a téma és az objektív távolságától függ. A tárgy és a lencse közötti távolság azonban nem változtatható meg önkényesen, minden objektívnél állandó, és a tárgyat nem lehet közelebb hozni. A modern mikroszkópokban a nyílásszög eléri a 140 o-ot (ill. u/2 = 70 o). Ezzel a szöggel maximális numerikus rekeszértékek és minimális felbontási határok érhetők el.
Az adatok egy tárgyra eső ferde fény beesésére és 555 nm hullámhosszra vonatkoznak, amelyre az emberi szem a legérzékenyebb.
Felhívjuk figyelmét, hogy a szemlencse egyáltalán nem befolyásolja a mikroszkóp felbontását, csak nagyított képet készít a lencséről.
Technikailag lehetséges olyan optikai mikroszkópok létrehozása, amelyek lencséi és okulárjai 1500-2000 vagy annál nagyobb teljes nagyítást biztosítanak. Ez azonban nem praktikus, mivel az objektum apró részleteinek megkülönböztetésének képességét a diffrakciós jelenségek korlátozzák. Ennek eredményeként az objektum legkisebb részleteinek képe elveszíti élességét, megsértheti a kép és az objektum geometriai hasonlóságát, a szomszédos pontok egybeolvadnak, és a kép teljesen eltűnhet. Ezért az optikában a következő fogalmak jellemzik a mikroszkóp minőségét:
Mikroszkóp felbontás- a mikroszkóp azon tulajdonsága, hogy külön képet adjon a vizsgált tárgy apró részleteiről.
Felbontási korlát- ez a legkisebb távolság két mikroszkópban külön-külön látható pont között.
Minél alacsonyabb a felbontási határ, annál nagyobb a mikroszkóp felbontása!
A felbontás határértéke határozza meg a mikroszkóp segítségével a mintán belüli legkisebb méretű részleteket.
A mikroszkóp felbontóképességének elméletét a jénai K. Zeiss üzem igazgatója, E. Abbe optikaprofesszor (1840-1905) dolgozta ki. Egyszerű mikroszkópos mintaként vett egy diffrakciós rácsot (2. ábra), mikroszkópban tanulmányozta a képalkotás mechanizmusát és a következőket mutatta be.
Mutassuk be a fogalmat rekeszszög- ez a tárgy közepéből a lencsébe érkező kúpos fénysugár külső sugarai közötti szög (3. ábra, A). Kép létrehozásához, vagyis egy tárgy feloldásához elegendő, ha a lencse legalább az egyik oldalon olyan sugarakat vesz fel, amelyek csak nulla és elsőrendű maximumokat alkotnak (2. és 3. ábra, b). A nagyobb számú maximumból érkező sugarak részvétele a kép kialakításában növeli a kép minőségét és kontrasztját. Ezért az ezeket a maximumokat alkotó sugaraknak a lencse rekeszszögén belül kell lenniük.
 |
a) b) c) d)
1 - elülső lencse, 2 - lencse
Így ha az objektum egy ponttal rendelkező diffrakciós rács dés a fény rendesen esik rá (2. és 3. ábra, b), akkor a kép kialakításában szükségszerűen részt kell venni a mindkét oldalon nulla és elsőrendű maximumokat képező sugarak, a j 1 szög pedig az elsőrendű maximumot alkotó sugarak elhajlási szöge, ill. szélsőséges esetben egyenlő legyen a szöggel U/2.
Ha egy kisebb periódusú rácsot veszünk d’, akkor a j’ 1 szög nagyobb lesz, mint a szög U/2 és a kép nem jelenik meg. Ez a rácsidőszakot jelenti d a mikroszkóp felbontási határának tekinthető Z. Ezután a diffrakciós rácsképlet segítségével a számára írunk k=1:
Csere d-on Z, és j 1 on U/2, kapjuk
. (6)
A mikroszkópos vizsgálat során a fénysugarak különböző szögekből érnek egy tárgyat. A sugarak ferde beesésével (3. ábra, G) a felbontási korlát csökken, mivel a képalkotásban csak az egyik oldalon nulladrendű és elsőrendű maximumokat képező sugarak vesznek részt, és a j 1 szög egyenlő lesz a rekeszszöggel U. A számítások azt mutatják, hogy ebben az esetben a felbontási korlát képlete a következő:
. (7)
Ha a tárgy és a lencse közötti teret törésmutatójú immerziós közeggel töltik ki n, amely nagyobb, mint a levegő törésmutatója, akkor a fény hullámhossza l n= l ¤ n. Ezt a kifejezést behelyettesítve a felbontási határ (7) képletébe, megkapjuk
, vagy 
. (8)
Így a (7) képlet határozza meg a felbontási határt egy száraz objektíves mikroszkópnál, a (8) képlet pedig a merülőobjektíves mikroszkópnál. Az értékek sin 0,5 UÉs n× sin0.5 U ezekben a képletekben az objektív numerikus apertúrájának nevezik, és betűvel jelöljük A. Ezt figyelembe véve a mikroszkóp felbontási határának képlete általános formában a következőképpen van felírva:
A (8) és (9) képletekből látható, hogy a mikroszkóp felbontása függ a fény hullámhosszától, a rekesznyílás szögétől, a lencse és a tárgy közötti közeg törésmutatójától, a fénysugarak beesési szögétől. a tárgyon, de ez nem függ a szemlencse paramétereitől. Az okulár nem ad további információt a tárgy szerkezetéről, nem javít a képminőségen, csak a köztes képet nagyítja.
A mikroszkóp felbontása immerzióval és a fény hullámhosszának csökkentésével növelhető. A merítés használatakor a felbontás növekedése a következőképpen magyarázható. Ha a lencse és a tárgy között levegő van (száraz lencse), akkor a fénysugár a fedőüvegből a levegőbe, alacsonyabb törésmutatójú közegbe kerülve a törés hatására jelentősen megváltoztatja irányát, így kevesebb sugár lépjen be az objektívbe. Olyan merülő közeg alkalmazásakor, amelynek törésmutatója megközelítőleg megegyezik az üveg törésmutatójával, nem figyelhető meg változás a közegben lévő sugarak útjában, és több sugár kerül a lencsébe.
A vizet merítési folyadékként használják ( n= 1,33), cédrusolaj ( n=1,515) stb. Ha a modern objektívek maximális rekeszszöge eléri a 140 0-t, akkor száraz objektívnél A=0,94, és olajimmerziós objektívnél A=1,43. Ha a számítás során az l = 555 nm fényhullámhosszt használjuk, amelyre a szem a legérzékenyebb, akkor a száraz lencse felbontási határa 0,30 µm, olajimmerzióval pedig 0,19 µm lesz. A rekesznyílás numerikus értéke az objektív hengerén van feltüntetve: 0,20; 0,40; 0,65 stb.
Az optikai mikroszkóp felbontásának növelése a fény hullámhosszának csökkentésével ultraibolya sugárzás alkalmazásával érhető el. Erre a célra speciális ultraibolya mikroszkópok vannak kvarc optikával és tárgyak megfigyelésére és fényképezésére szolgáló eszközök. Mivel ezek a mikroszkópok a látható fény hullámhosszának hozzávetőlegesen fele hullámhosszú fényt használnak, képesek körülbelül 0,1 μm-es gyógyszerstruktúrákat felbontani. Az ultraibolya mikroszkópnak van egy másik előnye is - festetlen készítmények vizsgálatára használható. A legtöbb biológiai tárgy átlátszó a látható fényben, mert nem nyeli el azt. Azonban szelektív abszorpciójuk van az ultraibolya tartományban, ezért könnyen láthatóak ultraibolya sugárzás alatt.
Az elektronmikroszkóp a legnagyobb felbontású, mivel a mozgó elektron hullámhossza 1000-szer kisebb, mint a fény hullámhossza.
Hasznos mikroszkóp nagyítás felbontóképessége és a szem felbontóereje korlátozza.
A szem felbontását az a legkisebb látószög jellemzi, amelynél az emberi szem még külön-külön képes megkülönböztetni egy tárgy két pontját. Korlátozza a pupilla diffrakciója és a retina fényérzékeny sejtjei közötti távolság. Normál szemnél a legkisebb látószög 1 perc. Ha egy tárgy a legjobb látási távolságban van - 25 cm, akkor ez a szög egy 70 mikron méretű tárgynak felel meg. Ezt az értéket tekintik a szabad szem felbontásának határának Z r a legjobb látótávolságban. Azonban bebizonyosodott, hogy az optimális érték Z r 140-280 mikronnak felel meg. Ebben az esetben a szem tapasztalja a legkevesebb igénybevételt.
Hasznos mikroszkóp nagyítás a legnagyobb nagyításnak nevezik, amelynél a szem még képes megkülönböztetni a mikroszkóp felbontási határával megegyező nagyságrendű részleteket.
A mikroszkóp lineáris nagyítása megegyezik a legjobb látótávolságon lévő objektum képméretének és magának a tárgynak az arányával (lásd az 1. képletet). Ha a mikroszkóp felbontási határát vesszük az objektum méretének Z, a képméretnél pedig a szabad szem felbontási határa a legjobb látás távolságában Z r, akkor megkapjuk a mikroszkóp hasznos nagyításának képletét:
Behelyettesítve ebbe a képletbe Z a (9) kifejezésből kapjuk
. (11)
A (11) képletbe behelyettesítve egy 555 nm-es (555×10 -9 m) fényhullámhosszt, a szemfelbontási határok optimális értékei 140-280 µm (140-280×10 -6 m), így a a mikroszkóp hasznos nagyítási értékeinek tartománya
500 A < TO n< 1000 A .
Például a legjobb, 1,43-as numerikus rekesznyílású merülőobjektívek használatakor a hasznos nagyítás 700-1400 lesz, ami azt mutatja, hogy nem célszerű nagy nagyítású optikai mikroszkópokat tervezni. Jelenleg azonban ez a kérdés elvesztette sürgősségét az elektronmikroszkóp széles körben elterjedt biológiában és gyógyászatban való alkalmazása miatt, amely akár 600 000-es növekedést és 0,1 nm-es felbontási határt biztosít.
A munka célja. A mikroszkóp eszközének megismerése, felbontásának meghatározása.
Eszközök és tartozékok: Mikroszkóp, fémlap kis lyukkal, világító tükör, vonalzó skálával.
Bevezetés
A mikroszkóp egy lencséből és egy okulárból áll, amelyek összetett lencserendszerek. A sugarak útját a mikroszkópban az 1. ábra mutatja, amelyen az objektívet és a szemlencsét egyetlen lencsék ábrázolják.
A szóban forgó AB tárgyat kicsit távolabb helyezzük az F lencse fő fókuszától körülbelül. A mikroszkóp lencse valós, inverz és nagyított képet ad a tárgyról (1. ábrán AB), amely a lencse kettős gyújtótávolsága mögött alakul ki. A felnagyított képet a szemlencse nagyítóként tekinti. Az okuláron keresztül nézett tárgy képe virtuális, inverz és felnagyított.
A lencse hátsó fókusza és a szemlencse elülső fókusza közötti távolságot nevezzük a rendszer optikai távolsága vagy optikai cső hossza mikroszkóp .
A mikroszkóp nagyítása az objektív és a szemlencse nagyításával határozható meg:
N = N kb N kb = ───── (1)
f kb f ok
ahol N kb és N kb a lencse és az okulár nagyítása; D - normál szem számára a legjobb látás távolsága (~25 cm); a mikroszkópcső optikai hossza; f körülbelülés f RENDBEN- a lencse és a szemlencse fő gyújtótávolsága.
Az (1) képlet elemzésekor arra a következtetésre juthatunk, hogy a nagy nagyítású mikroszkópok bármilyen kis tárgyat képesek megvizsgálni. A mikroszkóp által biztosított hasznos nagyítást azonban korlátozzák a diffrakciós jelenségek, amelyek akkor válnak észrevehetővé, ha olyan tárgyakat nézünk, amelyek méretei összemérhetőek a fény hullámhosszával.
Felbontási korlát A mikroszkóp a pontok közötti legkisebb távolság, amelynek képét külön kapjuk meg a mikroszkópban.
Abbe elmélete szerint a mikroszkóp felbontási határát a következő kifejezés határozza meg:
d = ───── (2)
ahol d a kérdéses objektum lineáris mérete; - a használt fény hullámhossza; n a tárgy és a lencse közötti közeg törésmutatója; a mikroszkóp fő optikai tengelye és a határsugár közötti szög (2. ábra).
IN 
az A = nsin mennyiséget nevezzük az objektív numerikus rekeszértéke
, és d reciproka az mikroszkóp felbontás
. A (2) kifejezésből az következik, hogy a mikroszkóp felbontása a lencse numerikus apertúrájától és a kérdéses tárgyat megvilágító fény hullámhosszától függ.
Ha a tárgy a levegőben van (n=1), akkor a mikroszkópban meg lehet különböztetni a tárgy azon pontjait, amelyek közötti távolság:
d = ─────
Mikroszkopikus objektumok esetén a szög közel 90 fok, ekkor sin 1, ami azt jelenti, hogy az egymástól ~ 0,61 távolságra elhelyezkedő objektumok mikroszkóppal vizsgálhatók. Vizuális megfigyelések esetén (a szem maximális érzékenysége a látható spektrum zöld tartományára esik 550 nm) mikroszkópban ~300 nm távolságra lévő objektumok láthatók.
A (2) kifejezésből következően a mikroszkóp felbontása növelhető a tárgyat megvilágító fény hullámhosszának csökkentésével. Így ultraibolya fényben (~ 250-300 nm) tárgyak fényképezésekor a mikroszkóp felbontása megkétszerezhető.
Mint tudják, az ember a látás útján kapja meg az őt körülvevő világról szóló információk nagy részét. Az emberi szem összetett és tökéletes eszköz. Ez a természet által megalkotott eszköz fénnyel - elektromágneses sugárzással működik, melynek hullámhossz-tartománya 400 és 760 nanométer között van. A személy által érzékelt szín liláról pirosra változik.
A látható fénynek megfelelő elektromágneses hullámok kölcsönhatásba lépnek a szemben lévő atomok és molekulák elektronikus héjaival. Ennek a kölcsönhatásnak az eredménye a héjakban lévő elektronok állapotától függ. A fény elnyelhető, visszaverődhet vagy szórható. Hogy pontosan mi történt a fénnyel, az sokat elárul azokról az atomokról és molekulákról, amelyekkel kölcsönhatásba lép. Az atomok és molekulák mérettartománya 0,1-től több tíz nanométerig terjed. Ez sokszor rövidebb, mint a fény hullámhossza. A pontosan ekkora objektumok – nevezzük nanoobjektumoknak – azonban nagyon fontosak, hogy lássuk. Mit kell ehhez tenni? Először beszéljük meg, mit láthat az emberi szem.
Általában, ha egy adott optikai eszköz felbontásáról beszélünk, két fogalommal működnek. Az egyik a szögfelbontás, a másik a lineáris felbontás. Ezek a fogalmak összefüggenek egymással. Például az emberi szem esetében a szögfelbontás körülbelül 1 ívperc. Ebben az esetben a szem csak akkor tud megkülönböztetni két, tőle 25-30 cm távolságra lévő pontobjektumot, ha ezeknek a tárgyaknak a távolsága 0,075 mm-nél nagyobb. Ez nagyon hasonló a hagyományos számítógépes szkenner felbontásához. Valójában a 600 dpi felbontás azt jelenti, hogy a lapolvasó akár 0,042 mm távolságra lévő pontokat is képes megkülönböztetni.
Annak érdekében, hogy az egymástól még kisebb távolságra lévő tárgyakat meg lehessen különböztetni, feltaláltak egy optikai mikroszkópot - egy olyan eszközt, amely növeli a szem felbontását. Ezek az eszközök másképp néznek ki (mint az 1. ábrán is látható), de működési elvük ugyanaz. Az optikai mikroszkóp lehetővé tette, hogy a felbontási határt a mikron töredékeire tolják. Az optikai mikroszkópia már 100 évvel ezelőtt lehetővé tette mikron méretű tárgyak tanulmányozását. Ugyanakkor világossá vált, hogy az objektívek számának pusztán növelésével és minőségének javításával nem lehet további felbontást elérni. Kiderült, hogy az optikai mikroszkóp felbontását magának a fénynek a tulajdonságai, nevezetesen annak hullámtermészete korlátozza.
A múlt század végén megállapították, hogy az optikai mikroszkóp felbontása . Ebben a képletben λ a fény hullámhossza, és n bűn u- a mikroszkóp lencséjének numerikus apertúrája, amely mind a mikroszkópot, mind azt az anyagot jellemzi, amely a vizsgált tárgy és a hozzá legközelebb eső mikroszkóplencse között helyezkedik el. Valójában a numerikus apertúra kifejezése tartalmazza a törésmutatót n a tárgy és a lencse közötti környezet, valamint a szög u a lencse optikai tengelye és a tárgyból kilépő és abba a lencsébe belépő legkülső sugarak között. A vákuum törésmutatója egyenlő az egységgel. Levegőnél ez a mutató nagyon közel áll az egységhez, víznél 1,33303, a mikroszkópiában használt speciális folyadékok esetében pedig a maximális felbontás elérése érdekében, n eléri az 1,78-at. Bármi legyen is a szög u, az értékbűn u nem lehet több egynél. Így az optikai mikroszkóp felbontása nem haladja meg a fény hullámhosszának töredékét.
A felbontást általában a hullámhossz felének tekintik.
Egy tárgy intenzitása, felbontása és nagyítása különböző dolgok. Megteheti, hogy az egymástól 10 nm-re található objektumok képeinek középpontjai közötti távolság 1 mm legyen. Ez 100 000-szeres növekedésnek felelne meg. Azt azonban nem lehet majd megkülönböztetni, hogy egy vagy két tárgyról van-e szó. Az a tény, hogy a fény hullámhosszához képest nagyon kicsiny tárgyak képei ugyanolyan alakúak és méretűek lesznek, függetlenül az objektumok alakjától. Az ilyen objektumokat pontobjektumoknak nevezzük – méretüket elhanyagolhatjuk. Ha egy ilyen pontszerű tárgy világít, akkor egy optikai mikroszkóp világos körként ábrázolja, amelyet világos és sötét gyűrűk vesznek körül. A továbbiakban az egyszerűség kedvéért a fényforrásokat is figyelembe vesszük. A 2. ábrán látható egy tipikus kép egy pontszerű fényforrásról, amely optikai mikroszkóppal készült. A fénygyűrűk intenzitása sokkal kisebb, mint a köré, és a kép középpontjától való távolság növekedésével csökken. Leggyakrabban csak az első fénygyűrű látható. Az első sötét gyűrű átmérője . Az ezt az intenzitáseloszlást leíró függvényt pontszórás függvénynek nevezzük. Ez a funkció nem függ a nagyítástól. Több pontobjektum képe pontosan körök és gyűrűk lesznek, amint az a 3. ábrán is látható. Az így kapott kép nagyítható, azonban ha két szomszédos pontobjektum képe egyesül, akkor azok tovább fognak egyesülni. Ezt a fajta nagyítást gyakran mondják, hogy haszontalan – a nagyobb képek egyszerűen homályosabbak lesznek. A haszontalan nagyítás példája a 4. ábrán látható. A képletet gyakran diffrakciós határnak is nevezik, és annyira híres, hogy a képlet szerzőjének, Ernst Abbe német optikai fizikusnak az emlékművére faragták.
Természetesen idővel az optikai mikroszkópokat különféle eszközökkel kezdték felszerelni, amelyek lehetővé tették a képek tárolását. Az emberi szemet először filmes kamerák és filmek, majd a rájuk eső fényt elektromos jelekké alakító digitális eszközökre épülő kamerák egészítették ki. Ezek közül a leggyakoribb eszközök a CCD-mátrixok (CCD a töltéscsatolt eszközt jelenti). A digitális fényképezőgépekben a pixelek száma folyamatosan növekszik, de ez önmagában nem javíthatja az optikai mikroszkópok felbontását.
Még huszonöt évvel ezelőtt is úgy tűnt, hogy a diffrakciós határ áthághatatlan, és a fény hullámhosszánál sokszorosan kisebb méretek vizsgálatához a fényt mint olyant el kell hagyni. Pontosan ezt az utat járták be az elektron- és röntgenmikroszkópok megalkotói. Az ilyen mikroszkópok számos előnye ellenére továbbra is fennáll a probléma a fény használatával a nanoobjektumok megtekintésére. Ennek számos oka volt: a tárgyakkal való munka kényelme és egyszerűsége, a kép elkészítéséhez szükséges rövid idő, a minták színezésének ismert módszerei és még sok más. Végül több éves kemény munka után lehetővé vált a nanoméretű objektumok optikai mikroszkóppal történő megtekintése. Ebben az irányban a legnagyobb előrelépést a fluoreszcens mikroszkópia területén érte el. Természetesen senki sem törölte a diffrakciós határt, de sikerült megkerülniük. Jelenleg különféle optikai mikroszkópok léteznek, amelyek lehetővé teszik olyan tárgyak vizsgálatát, amelyek mérete sokkal kisebb, mint annak a fénynek a hullámhossza, amely ezeket a tárgyakat képeket készít. Ezeknek az eszközöknek egy közös alapelve van. Próbáljuk meg elmagyarázni, melyik az.
A felbontás diffrakciós határáról már elmondottakból világos, hogy a pontforrást nem olyan nehéz látni. Ha ez a forrás megfelelő intenzitású, akkor a képe jól látható lesz. A kép alakját és méretét, ahogy már említettük, az optikai rendszer tulajdonságai határozzák meg. Ugyanakkor az optikai rendszer tulajdonságainak ismeretében és biztos abban, hogy az objektum pontobjektum, pontosan meghatározhatja, hogy az objektum hol található. Egy ilyen objektum koordinátáinak meghatározásának pontossága meglehetősen magas. Ezt az 5. ábra szemlélteti. Pontosabban határozható meg egy pontobjektum koordinátája, minél intenzívebben világít. Még a múlt század 80-as éveiben optikai mikroszkóp segítségével 10-20 nanométeres pontossággal meg tudták határozni az egyes világító molekulák helyzetét. A pontforrás koordinátáinak ilyen pontos meghatározásának szükséges feltétele a magány. A legközelebbi másik pontforrásnak olyan távol kell lennie, hogy a kutató biztosan tudja, hogy a feldolgozott kép egy forrásnak felel meg. Egyértelmű, hogy ez távolság l ki kell elégítenie a feltételt. Ebben az esetben a képelemzés nagyon pontos adatokat szolgáltathat magának a forrásnak a helyzetéről.
A legtöbb objektum, amelynek méretei jóval kisebbek egy optikai mikroszkóp felbontásánál, pontforrások halmazaként ábrázolhatók. A fényforrások egy ilyen készletben egymástól sokkal kisebb távolságra helyezkednek el, mint . Ha ezek a források egyszerre világítanak, akkor lehetetlen lesz bármit is mondani arról, hogy pontosan hol találhatók. Ha azonban ezeket a forrásokat felváltva fényesítheti, akkor mindegyik helyzete nagy pontossággal meghatározható. Ha ez a pontosság meghaladja a források közötti távolságot, akkor az egyes források helyzetének ismeretében megtudhatjuk, mi a relatív helyzetük. Ez azt jelenti, hogy információt szereztünk az objektum alakjáról és méretéről, amely pontforrások halmazaként jelenik meg. Vagyis ebben az esetben optikai mikroszkóppal olyan tárgyat vizsgálhatunk meg, amelynek méretei kisebbek a diffrakciós határnál!
Így a kulcspont az, hogy egy nanoobjektum különböző részeiről egymástól függetlenül információkat szerezzünk. Ennek három fő módszercsoportja van.
A módszerek első csoportja célirányosan csillogtatja a vizsgált tárgy egyik vagy másik részét. Ezek közül a módszerek közül a legismertebb a közeli pásztázó optikai mikroszkópia. Nézzük meg közelebbről.
Ha gondosan tanulmányozza a diffrakciós határ körülményeit, azt fogja tapasztalni, hogy a tárgyak és a lencsék közötti távolság sokkal nagyobb, mint a fény hullámhossza. Ehhez a hullámhosszhoz hasonló és annál kisebb távolságokon más a kép. A fényhullám elektromágneses terébe fogott bármely tárgy közelében van egy váltakozó elektromágneses tér, amelynek változási frekvenciája megegyezik a fényhullámban lévő tér változási frekvenciájával. A fényhullámmal ellentétben ez a mező gyorsan lebomlik, ahogy távolodik a nanoobjektumtól. Az a távolság, amelynél az intenzitás csökken, pl. e alkalommal, összemérhető az objektum méretével. Így az optikai frekvencia elektromágneses tere olyan tértérfogatban koncentrálódik, amelynek mérete jóval kisebb, mint a fény hullámhossza. Bármely nanoobjektum, amely ebbe a területbe esik, így vagy úgy kölcsönhatásba lép a koncentrált mezővel. Ha azt az objektumot, amelynek segítségével ezt a térkoncentrációt végrehajtjuk, a vizsgált nanoobjektum mentén szekvenciálisan mozgatjuk tetszőleges pályán, és rögzítjük a rendszer által kibocsátott fényt, akkor ezen a pályán fekvő egyes pontokból kép készíthető. Természetesen minden ponton úgy fog kinézni a kép, ahogy a 2. ábra mutatja, de a felbontást az határozza meg, hogy mennyire koncentrálódott a mező. És ezt viszont az objektum mérete határozza meg, amelynek segítségével ez a mező koncentrálódik.
A mező ilyen módon történő koncentrálásának legáltalánosabb módja az, hogy egy nagyon kis lyukat készítünk egy fém képernyőn. Ez a lyuk jellemzően egy vékony fémréteggel bevont hegyes fényvezető végén található (a fényvezetőt gyakran optikai szálnak nevezik, és széles körben használják adatátvitelre nagy távolságokra). Most már 30 és 100 nm közötti átmérőjű furatok is készíthetők. A felbontás méretben megegyezik. Az ezen az elven működő eszközöket közeli pásztázó optikai mikroszkópoknak nevezzük. 25 éve jelentek meg.
A módszerek második csoportjának lényege a következőkben rejlik. Ahelyett, hogy a szomszédos nanoobjektumokat felváltva csillogtatná, használhat különböző színekben világító objektumokat. Ebben az esetben az egyik vagy másik színű fényt továbbító fényszűrők segítségével meghatározhatja az egyes objektumok helyzetét, majd egyetlen képet készíthet. Ez nagyon hasonlít az 5. ábrán láthatóhoz, csak a színek különböznek majd a három képen.
Az utolsó módszercsoport, amely lehetővé teszi a diffrakciós határ leküzdését és a nanoobjektumok vizsgálatát, magának a világító objektumnak a tulajdonságait használja. Vannak olyan források, amelyek speciálisan kiválasztott világítással „bekapcsolhatók” és „kikapcsolhatók”. Az ilyen váltások statisztikailag előfordulnak. Más szóval, ha sok kapcsolható nanoobjektum van, akkor a fény hullámhosszának és intenzitásának kiválasztásával ezeknek az objektumoknak csak egy részét kényszerítheti „kikapcsolásra”. A fennmaradó tárgyak továbbra is ragyognak, és képet is lehet kapni róluk. Ezt követően az összes forrást „be kell kapcsolni”, és néhányat újra „ki kell kapcsolni”. A „bekapcsolva” maradó források készlete eltér az első alkalommal „bekapcsolt” készlettől. Az eljárás többszöri megismétlésével nagy számú, egymástól eltérő képkészletet kaphat. Egy ilyen halmaz elemzésével az összes forrás nagy része nagyon nagy pontossággal, jóval a diffrakciós határ felett található. Az így kapott szuperfelbontásra egy példa látható a 6. ábrán.
A szuperfelbontású optikai mikroszkópia jelenleg gyorsan fejlődik. Nyugodtan feltételezhető, hogy ez a terület a következő években egyre több kutatót vonz majd, és reméljük, hogy a cikk olvasói is köztük lesznek.
Irányelvek
A kis méretű és szabad szemmel megkülönböztethetetlen tárgyak tanulmányozásához speciális optikai eszközöket - mikroszkópokat - használnak. A céltól függően megkülönböztetik őket: egyszerűsített, működő, kutató és egyetemes. Az alkalmazott megvilágítási forrás szerint a mikroszkópokat a következőkre osztják: fény, fluoreszcens, ultraibolya, elektronikus, neutron, pásztázó, alagút. A felsorolt mikroszkópok bármelyikének kialakítása mechanikai és optikai alkatrészeket tartalmaz. A mechanikai rész a megfigyelési feltételek megteremtését szolgálja - tárgy elhelyezése, kép fókuszálása, optikai rész - kinagyított kép készítése.
Fénymikroszkópos készülék
A mikroszkópot fénymikroszkópnak nevezik, mert lehetővé teszi egy tárgy tanulmányozását áteresztő fényben, világos látómezőben. (ábra: a Biomed 2 külső képe) a Biomed-2 mikroszkóp általános nézetét mutatja.
|
|
A mikroszkóp mechanikus része egy mikroszkóp alapból, egy mozgatható tárgyasztalból és egy forgó eszközből áll.
A tárgyra fókuszálás a tárgyasztal mozgatásával érhető el a durva és finombeállító gombok forgatásával.
A mikroszkóp durva fókusztartománya 40 mm.
A kondenzátor egy konzolra van felszerelve, és a tárgyasztal és a kollektorlencse között helyezkedik el. Mozgása a kondenzátor magasságállító gombjának elforgatásával történik. Általános nézete (ábra???) Egy 1,25-ös rekesznyílású kétlencsés kondenzátor biztosítja a tárgyon lévő mezők megvilágítását, ha 4-100-szoros nagyítású objektívekkel dolgozik.
A tárgyasztal egy konzolra van felszerelve. Az objektumtábla koordinátamozgása a fogantyúk elforgatásával lehetséges. A tárgyat gyógyszertartókkal rögzítik az asztalhoz. A tartók egymáshoz képest mozgathatók.
Az objektum koordinátáit és a mozgás mértékét 1 mm-es osztásértékű skálákon és 0,1 mm-es osztásértékű nóniuszokon mérjük. A tárgy mozgási tartománya hosszanti irányban 60 mm, keresztirányban 40 mm. Kondenzátor
Kondenzátor
A mikroszkóp kondenzátor rögzítő egységgel van felszerelve, amely központosító és fókuszáló mozgást biztosít.
Az alap mikroszkóp egy tartóba szerelt univerzális kondenzátort használ; merülőolaj használatakor a numerikus rekesznyílás 1,25.
A világítás beállításakor a gyógyszert megvilágító sugárnyaláb numerikus apertúrájának zökkenőmentes megváltoztatása a rekeszmembrán segítségével történik.
A kondenzátor a kondenzátortartóba fix helyzetben van beépítve és rögzítőcsavarral rögzítve.
A kondenzátor központosító csavarjait a megvilágítás beállítási folyamata során használják a kondenzátor mozgatására a mikroszkóp optikai tengelyére merőleges síkban, miközben a membrán képét a látómező széleihez viszonyítva központosítják.
A kondenzátor felfelé és lefelé tartó fogantyúja, amely a kondenzátortartó konzoljának bal oldalán található, a világítás beállítására szolgál, hogy a terepi membrán képére fókuszáljon.
A szűrők a kondenzátor alján található forgó gyűrűbe vannak beszerelve.
A mikroszkóp optikai része
Világítási és megfigyelőrendszerekből áll. A világítási rendszer egyenletesen világítja meg a látómezőt. A megfigyelési rendszer célja a megfigyelt objektum képének nagyítása.
Világítási rendszer
A tárgyasztal alatt található. A mikroszkóp talpán lévő lyukba csavarozott kollektorlencséből és egy foglalatból áll, amelybe lámpát szereltek. A lámpafoglalat a mikroszkóp aljába van beszerelve. A mikroszkóp megvilágítója váltakozó áramú hálózatról táplálkozik egy háromtűs tápkábelen keresztül, amely egy dugóval van a tápegységhez csatlakoztatva. A megvilágító lámpát a mikroszkóp alján található kapcsoló kapcsolja be.
Megfigyelő rendszer
Lencsékből, monokuláris rögzítésből és okulárokból áll.
Lencsék
A lencsék a mikroszkóp legfontosabb, legértékesebb és legsérülékenyebb részét alkotják. Tőlük függ a nagyítás, a felbontás és a képminőség. Ezek egy fémkeretbe zárt, kölcsönösen központosított lencsék rendszere. A keret felső végén van egy menet, amellyel a lencse a revolver foglalatába rögzíthető. Az objektívben található elülső (a tárgyhoz legközelebb eső) lencsét frontlencsének nevezik, és ez az egyetlen az objektívben, amely nagyítást hoz létre. Az összes többi objektívlencsét korrekciós lencséknek nevezik, és az optikai kép hiányosságainak kijavítására szolgál.
Amikor különböző hullámhosszú fénysugár halad át a lencséken, a kép szivárványos elszíneződése következik be - kromatikus aberráció. A lencse ívelt felületén a sugarak egyenetlen fénytörése gömbi aberrációhoz vezet, amely a központi és a perifériás sugarak egyenetlen fénytörése miatt következik be. Ennek eredményeként a pontkép elmosódott körként jelenik meg.
A mikroszkópkészletben található lencséket 160 mm-es optikai csőhosszra, 45 mm-es magasságra és mm-es fedőüvegvastagságra tervezték.
A 10-szeresnél nagyobb nagyítású objektívek rugós kerettel vannak felszerelve, amelyek megvédik a mintát és az elülső lencséket a sérülésektől, amikor a minta felületére fókuszálnak.
Az objektív testére a nagyításnak megfelelően színes gyűrű helyezhető, valamint:
- numerikus rekesznyílás;
- optikai cső hossza 160;
- fedőüveg vastagsága 0,17, 0 vagy -";
- merítés típusa - olaj OLAJ (MI) vagy víz VI;
A 0,17-tel jelölt objektívek csak 0,17 mm vastag fedőüveggel készült készítmények tanulmányozására szolgálnak. A 0-val jelölt célok csak fedőszemüveg nélküli készítmények tanulmányozására szolgálnak. Alacsony nagyítású objektívek (2,5-10), valamint merülőobjektívek használhatók fedőüveggel vagy anélkül készült készítmények vizsgálatához. Ezeket az objektíveket – ikon jelöli.
Szemlencsék
A mikroszkóp szemlencse két lencséből áll: a szemlencséből (felső) és a gyűjtőlencséből (alsó). A lencsék között van a membrán. A membrán blokkolja az oldalsugarakat, és az optikai tengelyhez közeli sugarakat továbbítja, ami növeli a kép kontrasztját. A szemlencse célja a lencse által előállított kép nagyítása. A szemlencsék saját, ×5, ×10, ×12,5, ×16 és ×20 nagyítással rendelkeznek, amely a kereten van feltüntetve.
A szemlencsék kiválasztása a használt lencsekészlettől függ. Achromat, achrostigma és achrofluar lencsékkel végzett munka során ajánlatos legfeljebb 20 mm-es lineáris látómezővel rendelkező okulárokat használni, planchromat és planapochromat lencsékkel - 20 lineáris látómezővel rendelkező szemlencséket; 22 és 26,5 mm.
Ezenkívül a mikroszkóp WF10/22 okulárral is felszerelhető mérleggel; skálaosztás értéke 0,1 mm.
A mikroszkópok jellemzői
Mikroszkóp nagyítás
A mikroszkóp fő jellemzői a nagyítás és a felbontás. A mikroszkóp által biztosított teljes nagyítást az objektív nagyításának és a szemlencse nagyításának szorzataként határozzuk meg. A nagyítás azonban nem jelzi a kép minőségét, lehet tiszta vagy homályos. A kapott kép tisztaságát a mikroszkóp felbontása jellemzi, azaz. a legkisebb méretű tárgyak vagy részeik, amelyek ezzel a készülékkel láthatók.
A mikroszkóp teljes nagyítását a vizuális megfigyelés során a következő képlet határozza meg: Г = βok × βok, ahol:
βrev - lencse nagyítása (jelölve az objektíven);
βok - szemlencse nagyítás (a szemlencsén jelölve).
| 3. táblázat | Lencse nagyítás Mikroszkóp nagyítás és megfigyelt mező |
|||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5/26* | 10/22 | 15/16* | ||||
| okulárral ellátott tárgyon: | G | okulárral ellátott tárgyon: | G | okulárral ellátott tárgyon: | G | |
| 4 | 20 | 4,0 | 50 | 4,5 | 64 | 3,75 |
| 10 | 50 | 2,0 | 100 | 1,8 | 160 | 1,5 |
| 20 | 100 | 1,0 | 200 | 0,9 | 320 | 0,75 |
| 40 | 200 | 0,5 | 420 | 0,45 | 640 | 0,38 |
| 100 | 500 | 0,2 | 1000 | 0,18 | 1600 | 0,15 |
- Add, mm
Mikroszkóp felbontás
A mikroszkóp felbontását két külön látható pont (vagy két legvékonyabb vonal) közötti minimális (felbontási) távolság határozza meg, és a képlet számítja ki
D=λ/(A1+A2) , ahol d a minimális (felbontású) távolság két pont (vonal) között;
λ a használt fény hullámhossza;
Az A1 és A2 az objektív (a keretén jelölve) és a kondenzátor numerikus rekeszértéke.
Növelheti a felbontást (azaz csökkentheti a d abszolút értékét, mivel ezek reciprok értékek) a következő módokon: világítsa meg a tárgyat rövidebb λ hullámhosszú fénnyel (például ultraibolya vagy rövidhullámú sugarak), használjon lencséket nagyobb rekesznyílás A1, vagy növelje az A2 rekeszkondenzátort.
Az objektív működési távolsága
A mikroszkópok négy kivehető objektívvel vannak felszerelve, amelyek saját, 4×-es, 10×-es, 40×-es és 100×-os nagyításukkal rendelkeznek, fémkereten jelölve. A lencse nagyítása a fő elülső lencse görbületétől függ: minél nagyobb a görbület, annál rövidebb a gyújtótávolság és annál nagyobb a nagyítás. Ezt emlékezni kell a mikroszkópos vizsgálat során - minél nagyobb a lencse által biztosított nagyítás, annál kisebb a szabad munkatávolság, és annál alacsonyabbra kell engedni a minta síkja fölé.
Merítés
Minden lencse szárazra és merülőre vagy merülőre van osztva. A lencsét száraznak nevezzük, ha levegő van az elülső lencse és a szóban forgó minta között. Ebben az esetben az üveg (1,52) és a levegő (1,0) törésmutatójának különbsége miatt a fénysugarak egy része eltérül, és nem jut be a megfigyelő szemébe. A száraz rendszerű objektívek általában nagy gyújtótávolságúak, és alacsony (10-szeres) vagy közepes (40-szeres) nagyítást biztosítanak.
A mikroszkóp tápkábellel csatlakozik az elektromos hálózathoz. Revolver segítségével egy ×10-es nagyítású lencsét helyeznek a sugárútba. Egy enyhe megállás és a revolverrugó kattanó hangja jelzi, hogy a lencse az optikai tengely mentén van felszerelve. A durva élességállító gomb segítségével engedje le az objektívet 0,5-1,0 cm távolságra a tárgyasztaltól.
A száraz lencsékkel való munka szabályai.
Az elkészített készítményt a színpadra helyezzük és bilinccsel rögzítjük. Egy ×10-es száraz lencse használatával több látómező is megtekinthető. A színpad mozgatása oldalsó csavarokkal történik. A vizsgálathoz szükséges gyógyszer területe a látómező közepén helyezkedik el. Emeljük fel a csövet, és a revolver forgatásával mozgassuk a lencsét ×40-es nagyítással, oldalról megfigyelve, egy makrometrikus csavar segítségével ismét engedjük le a csövet a lencsével együtt majdnem addig, amíg az érintkezésbe nem kerül a mintával. Nézzen bele az okulárba, és nagyon lassan emelje fel a csövet, amíg meg nem jelenik a kép kontúrja. A pontos fókuszálás egy mikrométeres csavar segítségével történik, egyik vagy másik irányba forgatva, de legfeljebb egy teljes fordulattal. Ha ellenállást érez a mikrométercsavar elforgatásakor, az azt jelenti, hogy a löket befejeződött. Ebben az esetben forgassa el a csavart egy vagy két teljes fordulattal az ellenkező irányba, keresse meg ismét a képet a makrometrikus csavar segítségével, és folytassa a munkát a mikrometrikus csavarral.
Hasznos edzeni magunkat arra, hogy mikroszkópos vizsgálatkor mindkét szemünket nyitva tartsuk, és felváltva használjuk, mert így kevésbé fárad el a látása.
A lencsék cseréjekor nem szabad elfelejteni, hogy a mikroszkóp felbontása a lencse és a kondenzátor rekesznyílásának arányától függ. A ×40-es nagyítású objektív numerikus apertúrája 0,65, a nem merülő kondenzátoré 0,95. Ezeket gyakorlatilag a következő technikával lehet összhangba hozni: a minta lencsével való fókuszálása után távolítsa el a szemlencsét, és a csövön keresztül fedje le a kondenzátor írisz diafragmáját, amíg a szélei láthatóvá nem válnak az egyenletesen megvilágított hátsó szélén. a lencse lencséje. Ezen a ponton a kondenzátor és az objektív numerikus nyílása megközelítőleg egyenlő lesz.
A merülőlencsével végzett munka szabályai.
Egy kis csepp immerziós olajat kell a készítményre felvinni (lehetőleg rögzített és színezett). A revolvert elforgatják, és a központi optikai tengely mentén egy 100-szoros nagyítású merülőlencsét szerelnek fel. A kondenzátort addig emeljük fel, amíg meg nem áll. A kondenzátor írisz membránja teljesen kinyílik. Oldalról nézve egy makrometrikus csavar segítségével engedje le a csövet, amíg a lencse el nem merül az olajban, majdnem addig, amíg a lencse érintkezésbe nem kerül a minta tárgylemezével. Ezt nagyon óvatosan kell megtenni, hogy az elülső lencse ne mozduljon el és ne sérüljön meg. Benéznek a szemlencsébe, nagyon lassan forgatják maguk felé a makrometrikus csavart, és anélkül, hogy a lencsét felemelnék az olajról, addig emelik a csövet, amíg meg nem jelennek a tárgy körvonalai. Emlékeztetni kell arra, hogy a merülőlencsében a szabad munkatávolság 0,1-0,15 mm. Ezután a pontos fókuszálás makrometrikus csavar segítségével történik. Az előkészítés során több látómezőt is megvizsgálnak, oldalcsavarokkal mozgatva az asztalt. A merülőlencsével végzett munka végén emelje fel a csövet, távolítsa el a készítményt, és óvatosan törölje le a lencse elülső lencséjét először egy száraz puha pamut szalvétával, majd ugyanezzel a szalvétával, de tiszta benzinnel enyhén megnedvesített. Ne hagyjon olajat a lencse felületén, mert ez lehetővé teszi a por leülepedését, és idővel károsíthatja a mikroszkóp optikáját. A készítményt először egy darab szűrőpapírral megszabadítjuk az olajtól, majd az üveget benzinnel vagy xilollal kezeljük.
Terhelés...
