Увеличителната сила на микроскопа. Качество на изображението. Разделителна способност на устройството

Цел на работата. Запознаване с устройството на микроскопа и определяне на неговата разделителна способност.

Уреди и аксесоари: Микроскоп, метална пластина с малък отвор, огледало за осветление, линийка със скала.

Въведение

Микроскопът се състои от леща и окуляр, които са сложни системи от лещи. Пътят на лъчите в микроскоп е показан на фиг. 1, в която обективът и окулярът са представени от единични лещи.

Въпросният обект AB е поставен малко по-далеч от главния фокус на лещата F относно. Обективът на микроскопа дава реален, обратен и увеличен образ на обекта (AB на фиг. 1), който се формира зад двойното фокусно разстояние на лещата. Увеличеното изображение се гледа от окуляра като лупа. Образът на обект, гледан през окуляра, е виртуален, инверсен и увеличен.

Разстоянието между задния фокус на обектива и предния фокус на окуляра се нарича оптичното разстояние на системата или дължина на оптичната тръба микроскоп .

Увеличението на микроскопа може да се определи от увеличението на обектива и окуляра:

N = N около  N около = ───── (1)

f около  f добре

където N около и N около са съответно увеличението на лещата и окуляра; D - разстояние на най-добро виждане за нормално око (~25 cm);  е оптичната дължина на микроскопската тръба; f относнои f Добре- главни фокусни разстояния на обектива и окуляра.

Когато анализираме формула (1), можем да заключим, че микроскопите с голямо увеличение могат да изследват всякакви малки обекти. Въпреки това полезното увеличение, осигурено от микроскопа, е ограничено от дифракционни явления, които стават забележими при гледане на обекти, чиито размери са сравними с дължината на вълната на светлината.

Ограничение на разделителната способност микроскоп е най-малкото разстояние между точките, чието изображение се получава отделно в микроскопа.

Според теорията на Abbe границата на разделителна способност на микроскопа се определя от израза:

d = ───── (2)

където d е линейният размер на въпросния обект;  - дължина на вълната на използваната светлина; n е коефициентът на пречупване на средата между обекта и лещата;  е ъгълът между главната оптична ос на микроскопа и граничния лъч (фиг. 2).

IN се нарича величината A = nsin цифрова апертура на обектива , а реципрочната стойност на d е резолюция на микроскопа . От израз (2) следва, че разделителната способност на микроскопа зависи от числовата апертура на лещата и дължината на вълната на светлината, която осветява въпросния обект.

Ако обектът е във въздуха (n=1), тогава в микроскопа е възможно да се разграничат точки от обекта, разстоянието между които е:

d = ─────

За микроскопични обекти ъгълът  е близо до 90 градуса, след това sin  1, което означава, че обекти, разположени на разстояние ~ 0,61 един от друг, могат да бъдат изследвани в микроскоп. При визуални наблюдения (максималната чувствителност на окото пада върху зелената област на видимия спектър   550 nm) в микроскоп могат да се видят обекти, разположени на разстояние ~300 nm.

Както следва от израз (2), разделителната способност на микроскопа може да се увеличи чрез намаляване на дължината на вълната на светлината, която осветява обекта. Така при снимане на обекти в ултравиолетова светлина (~ 250-300 nm) резолюцията на микроскопа може да се удвои.

Вещ чпоставен малко по-далеч от предния фокус на обектива. Обективът дава истински, обратен, увеличенизображение з’ , разположен между предния фокус на окуляра и оптичния център на окуляра. Това междинно изображение се гледа през окуляра като през лупа. Окулярът дава въображаем, директен, увеличенизображение з, който се намира на разстоянието за най-добро виждане S ≈ 25 cm от оптичния център на окото.

Гледаме това изображение с очите си и то се образува върху ретината му. истински, обратен, намаленизображение.

Увеличение на микроскопа– отношението на размерите на виртуалното изображение към размерите на обекта, наблюдаван през микроскопа:
. Умножете числителя и знаменателя по размера на междинното изображение з’ :
. По този начин увеличението на микроскопа е равно на произведението от увеличението на обектива и увеличението на окуляра. Увеличение на обективаможе да се изрази по отношение на характеристиките на микроскопа, като се използва подобието на правоъгълни триъгълници
, Където Лоптичен дължина на тръбата: разстоянието между задния фокус на обектива и предния фокус на окуляра (приемаме, че Л >> Еотносно). Увеличение на окуляра
. Следователно увеличението на микроскопа е:
.

4. Разделителна способност и граница на разделителна способност на микроскопа. Дифракционни явления в микроскоп, концепцията на теорията на Абе.

Граница на разделителната способност на микроскопаz - това е най-малкото разстояние между две точки на обект, гледани през микроскоп, когато тези точки все още се възприемат отделно. Границата на разделителна способност на конвенционален биологичен микроскоп е в диапазона от 3-4 микрона. Резолюциямикроскопът е способността да се осигури отделно изображение на две близко разположени точки на обекта, който се изследва, т.е. това е реципрочната стойност на границата на разделителната способност.

Дифракцията на светлината поставя ограничение върху способността за разграничаване на детайлите на обектите, когато те се наблюдават през микроскоп. Тъй като светлината не се разпространява праволинейно, а се огъва около препятствия (в този случай въпросните обекти), изображенията на малки детайли на обекти се оказват размазани.

Е. Абе предложи дифракционна теория на разделителната способност на микроскопа. Нека обектът, който искаме да изследваме през микроскоп, е дифракционна решетка с период д. Тогава минималният детайл на обекта, който трябва да разграничим, ще бъде именно периодът на решетката. Дифракцията на светлината възниква върху решетката, но диаметърът на обектива на микроскопа е ограничен и при големи ъгли на дифракция не цялата светлина, преминаваща през решетката, влиза в обектива. В действителност светлината от даден обект се разпространява към лещата в определен конус. Полученото изображение е по-близо до оригинала, колкото повече максимуми участват във формирането на изображението. Светлината от обект се разпространява към лещата от кондензатор под формата на конус, който се характеризира с ъглова бленда u- ъгълът, под който лещата се вижда от центъра на разглеждания обект, т.е. ъгълът между външните лъчи на коничния светлинен лъч, влизащ в оптичната система. Според E. Abbe, за да се получи изображение на решетка, дори и най-размитата, лъчите от всеки два порядъка на дифракционната картина трябва да влязат в лещата, например лъчи, образуващи централния и поне първия дифракционен максимум. Нека припомним, че за наклоненото падане на лъчите върху дифракционна решетка основната му формула има вида: . Ако светлината идва под ъгъл , и ъгълът на дифракция за първи максимумравно на
, тогава формулата приема формата
. Тогава границата на разделителната способност на микроскопа трябва да се приеме като константа на дифракционната решетка
, където  е дължината на вълната на светлината.

Както може да се види от формулата, един от начините да се намали границата на разделителната способност на микроскопа е да се използва светлина с по-къса дължина на вълната. В тази връзка се използва ултравиолетов микроскоп, при който микрообектите се изследват в ултравиолетови лъчи. Основният оптичен дизайн на такъв микроскоп е подобен на този на конвенционалния микроскоп. Основната разлика е използването на оптични устройства, които са прозрачни за ултравиолетова светлина и функциите за регистриране на изображението. Тъй като окото не възприема ултравиолетовото лъчение (в допълнение, то изгаря очите, т.е. е опасно за органа на зрението), се използват фотографски плаки, флуоресцентни екрани или електрооптични преобразуватели.

Ако специална течна среда, наречена потапяне, тогава границата на разделителната способност също намалява:
, Където н– абсолютен индекс на пречупване на потапяне, А – цифрова апертура на обектива. Водата се използва за потапяне ( н = 1.33), кедрово масло ( н= 1,515), монобромонафталин ( н = 1.66) и т.н. За всеки тип потапяне се прави специална леща, която може да се използва само с този тип потапяне.

Друг начин за намаляване на разделителната способност на микроскопа е увеличаване на ъгъла на блендата. Този ъгъл зависи от размера на обектива и разстоянието от обекта до обектива. Разстоянието от обекта до лещата обаче не може да се променя произволно, то е постоянно за всяка леща и обектът не може да бъде приближен. В съвременните микроскопи ъгълът на блендата достига 140 o (съответно, u/2 = 70 o). С този ъгъл се получават максимални числени апертури и минимални граници на разделителна способност.

Данните са дадени за наклонено падане на светлина върху обект и дължина на вълната 555 nm, към която човешкото око е най-чувствително.

Моля, обърнете внимание, че окулярът изобщо не влияе на разделителната способност на микроскопа, той създава само увеличено изображение на лещата.

където l е разстоянието между горния фокус на лещата и долния фокус на окуляра; L – разстояние на най-добра видимост; равно на 25 см; F 1 и F 2 – фокусни разстояния на обектива и окуляра.

Познавайки фокусните разстояния F 1, F 2 и разстоянието между тях l, можете да намерите увеличението на микроскопа.

В практиката не се използват микроскопи с увеличения над 1500–2000, т.к. Възможността за разграничаване на малки детайли на обект в микроскоп е ограничена. Това ограничение се дължи на влиянието на дифракцията на светлината в преминаващата структура на даден обект. В тази връзка се използват понятията граница на разделителна способност и разделителна способност на микроскопа.

Определяне на границата на разделителната способност на микроскопа

Граница на разделителната способност на микроскопае най-малкото разстояние между две точки на обект, на което те се виждат отделно в микроскоп. Това разстояние се определя по формулата:

,

където λ е дължината на вълната на светлината; n е коефициентът на пречупване на средата между лещата и обекта; u е ъгълът на отвора на лещата, равен на ъгъла между външните лъчи на коничния светлинен лъч, влизащ в лещата на микроскопа.

В действителност светлината от обект се разпространява към лещата на микроскопа в определен конус (фиг. 2 а), който се характеризира с ъглова апертура - ъгълът u между външните лъчи на коничен светлинен лъч, влизащ в оптичната система. В граничния случай, според Abbe, външните лъчи на коничния светлинен лъч ще бъдат лъчите, съответстващи на централния (нулев) и 1-вия основен максимум (фиг. 2 b).

Величината 2nsin U се нарича числова апертура на микроскопа. Числовата апертура може да се увеличи с помощта на специална течна среда - потапяне– в пространството между обектива и покривното стъкло на микроскопа.

При потапящите системи, в сравнение с идентичните „сухи“ системи, се получава по-голям ъгъл на отвор (фиг. 3).

Фиг.3. Схема на системата за потапяне

Като потапяне се използва вода (n = 1,33), кедрово масло (n = 1,514) и др.. За всяко потапяне се изчислява специално леща, която може да се използва само с това потапяне.

Формулата показва, че границата на разделителната способност на микроскопа зависи от дължината на вълната на светлината и числовата апертура на микроскопа. Колкото по-къса е дължината на вълната на светлината и колкото по-голям е отворът, толкова по-малък е Z и следователно по-голяма е разделителната способност на микроскопа. За бяла (дневна) светлина средната дължина на вълната може да се приеме като λ = 0,55 µm. Коефициентът на пречупване на въздуха е n = 1.

Микроскоп mbs-1

MBS-1 е стереоскопичен микроскоп, който осигурява директно триизмерно изображение на разглеждания обект както в пропусната, така и в отразена светлина.

Микроскопът се състои от 4 основни части:

– маса;

– статив;

– оптична глава с механизъм за грубо подаване;

– приставка за окуляр.

Предметът на микроскопа се състои от кръгло тяло, вътре в което е монтиран въртящ се рефлектор с огледални и матови повърхности. За работа с дневна светлина корпусът има изрез, през който светлината преминава свободно. От задната страна на корпуса на масата има отвор с резба за работа с електрически осветител. Към стойката на микроскопа е прикрепена оптична глава - основната част на устройството, в която се монтират най-важните оптични компоненти.

Корпусът на оптичната глава съдържа барабан с инсталирани в него системи Galilean. Завъртете оста на барабана, като използвате дръжки с отпечатани числа 0,6; 1; 2; 4; 7 постигат различни увеличения на обектива. Всяка позиция на барабана е ясно фиксирана със специална пружинна скоба. С помощта на дръжката на статива на микроскопа, която движи оптичната глава, се постига най-рязкото изображение на съответния обект.

Цялата оптична глава може да се движи върху пръта на статива и да се фиксира във всяка позиция с винт. Приставката за окуляра се състои от водач, който е правоъгълна част с два отвора за рамката на обектива.

Когато наблюдавате през окулярите, трябва да завъртите тръбите на окуляра, за да намерите позиция, в която двете изображения се комбинират в едно. След това фокусирайте микроскопа върху изследвания обект и завъртете рефлектора, за да постигнете равномерно осветяване на полето. При регулиране на осветеността цокълът с лампата се придвижва към колектора, докато се получи най-доброто осветяване на наблюдавания обект.

Основно MBS-1 е предназначен за подготвителни работи, за наблюдение на обекти, както и за извършване на линейни измервания или измерване на площите на участъци от препарата. Оптичната схема на микроскопа е показана на фиг. 4.

Оптичната диаграма на микроскопа MBS-1 е показана на фиг. 4.

При работа в пропускаща светлина светлинният източник (1) с помощта на рефлектор (2) и колектор (3) осветява прозрачен образец, монтиран на предметната площадка (4).

Като обектив е използвана специална система, състояща се от 4 лещи (5) с фокусно разстояние = 80 mm и 2 двойки галилееви системи (6) и (7), зад които има лещи (8) с фокусно разстояние от 160 мм, които формират изображение на обекта във фокалните равнини на окулярите.

Общото линейно увеличение на оптичната система, състояща се от леща (5), Галилееви системи (6) и (7) и лещи (8) е: 0,6; 1; 2; 4; 7. Зад лещите (8) има 2 призми на Шмид (9), които ви позволяват да въртите тръбите на окуляра според окото на наблюдателя, без да въртите изображението на лещата.

1 – източник на светлина;

2 – рефлектор;

3 – колектор;

4 – предметна маса;

5 – обектив (F = 80 mm);

6, 7 – Галилееви системи;

8 – лещи (F = 160 mm);

9 – призми на Шмит;

10 – окуляри.

Ориз. 4. Оптичен дизайн на микроскоп MBS-1

Микроскопът MBS-1 се предлага с 3 чифта окуляри (10) с увеличение 6; 8; 12,5 и един окулярен микрометър с 8x увеличение с прицел. Те ви позволяват да променяте общото увеличение на микроскопа от 3,6 до 88 (Таблица 1). Общото увеличение на микроскопа е произведение от увеличението на окуляра и увеличението на обектива.

Маса 1.

Оптични характеристики на микроскоп MBS-1

Нараства

Увеличение на обектива

Разделителната способност на окото е ограничена. Резолюцияхарактеризира разрешено разстояние, т.е. минималното разстояние между две съседни частици, при което те все още се виждат отделно. Разрешеното разстояние за невъоръжено око е около 0,2 mm. За увеличаване на разделителната способност се използва микроскоп. За изследване на структурата на металите микроскопът е използван за първи път през 1831 г. от П. П. Аносов, който изучава дамаската стомана, а по-късно, през 1863 г., от англичанина Г. Сорби, който изучава метеоритното желязо.

Разрешеното разстояние се определя от връзката:

Където л- дължина на вълната на светлината, идваща от обекта на изследване към лещата, н– показател на пречупване на средата, разположена между обекта и лещата, и а- ъглова апертура, равна на половината от ъгъла на отваряне на лъча от лъчи, влизащи в лещата, която създава изображението. Тази важна характеристика на обектива е гравирана върху рамката на обектива.

Добрите лещи имат максимален ъгъл на блендата a = 70° и sina » 0,94. Повечето изследвания използват сухи обективи, работещи във въздух (n = 1). За намаляване на разрешеното разстояние се използват потапящи лещи. Пространството между обекта и лещата се запълва с прозрачна течност (имерсия) с висок коефициент на пречупване. Обикновено се използва капка кедрово масло (n = 1,51).

Ако приемем l = 0,55 µm за видима бяла светлина, тогава минималното разделително разстояние на светлинен микроскоп е:

По този начин разделителната способност на светлинния микроскоп е ограничена от дължината на вълната на светлината. Обективът увеличава като през лупа междинния образ на обекта, който се гледа през окуляра. Окулярът увеличава междинния образ на обекта и не може да увеличи разделителната способност на микроскопа.

Общото увеличение на микроскопа е равно на произведението от увеличението на обектива и окуляра. Металографските микроскопи се използват за изследване на структурата на металите с увеличение от 20 до 2000 пъти.

Начинаещите правят често срещана грешка, като се опитват да видят структурата веднага при голямо увеличение. Трябва да се има предвид, че колкото по-голямо е увеличението на даден обект, толкова по-малка е видимата площ в зрителното поле на микроскопа. Поради това се препоръчва изследването да започне с използване на слаба леща, за да се оцени първо общият характер на металната структура върху голяма площ. Ако започнете микроанализа с помощта на силна леща, тогава много важни характеристики на металната структура може да не бъдат забелязани.

След общ оглед на структурата при малки увеличения на микроскопа се избира обектив с такава разделителна способност, че да се видят всички необходими най-малки детайли на структурата.

Окулярът е избран така, че детайлите на конструкцията, увеличени от обектива, да се виждат ясно. Ако увеличението на окуляра не е достатъчно, фините детайли на междинното изображение, създадено от обектива, няма да се видят през микроскопа и по този начин няма да се използва пълната разделителна способност на обектива. Ако увеличението на окуляра е твърде голямо, нови структурни детайли няма да бъдат разкрити, в същото време контурите на вече идентифицираните детайли ще бъдат замъглени и зрителното поле ще стане по-тясно. Собственото увеличение на окуляра е гравирано върху рамката му (например 7 x).



Препоръчваме за четене