Mikroskoobi suurendav võimsus. Pildikvaliteet. Seadme eraldusvõime

Töö eesmärk. Mikroskoobi seadmega tutvumine ja selle lahutusvõime määramine.

Seadmed ja tarvikud: Mikroskoop, väikese auguga metallplaat, valgustuspeegel, joonlaud skaalaga.

Sissejuhatus

Mikroskoop koosneb objektiivist ja okulaarist, mis on keerulised läätsesüsteemid. Kiirte teekond mikroskoobis on näidatud joonisel 1, kus objektiivi ja okulaari kujutavad üksikud läätsed.

Kõnealune objekt AB on paigutatud objektiivi F põhifookusest veidi kaugemale umbes. Mikroskoobi lääts annab objektist reaalse, pöörd- ja suurendatud kujutise (Joonis 1 AB), mis moodustub läätse topeltfookuskauguse taha. Suurendatud pilti vaatab okulaar suurendusklaasina. Läbi okulaari vaadeldav objekti kujutis on virtuaalne, pöördvõrdeline ja suurendatud.

Objektiivi tagumise fookuse ja okulaari eesmise fookuse vahelist kaugust nimetatakse süsteemi optiline vahekaugus või optilise toru pikkus mikroskoop .

Mikroskoobi suurenduse saab määrata objektiivi ja okulaari suurendusega:

N = N umbes  N umbes = ───── (1)

f umbes  f ok

kus N umbes ja N umbes on vastavalt läätse ja okulaari suurendus; D - normaalse silma parima nägemise kaugus (~25 cm);  on mikroskoobi toru optiline pikkus; f umbes ja f Okei- objektiivi ja okulaari peamised fookuskaugused.

Valemit (1) analüüsides võime järeldada, et suure suurendusega mikroskoobid suudavad uurida mis tahes väikeseid objekte. Mikroskoobi pakutavat kasulikku suurendust piiravad aga difraktsiooninähtused, mis muutuvad märgatavaks, kui vaadata objekte, mille mõõtmed on võrreldavad valguse lainepikkusega.

Eraldusvõime piir mikroskoop on väikseim punktide vaheline kaugus, mille kujutis saadakse mikroskoobis eraldi.

Abbe teooria kohaselt määratakse mikroskoobi eraldusvõime piir avaldisega:

d = ───── (2)

kus d on kõnealuse objekti lineaarne suurus;  - kasutatud valguse lainepikkus; n on objekti ja läätse vahelise keskkonna murdumisnäitaja;  on nurk mikroskoobi optilise peatelje ja piirkiire vahel (joonis 2).

IN nimetatakse suurust A = nsin objektiivi numbriline ava , ja d pöördväärtus on mikroskoobi eraldusvõime . Avaldisest (2) järeldub, et mikroskoobi lahutusvõime sõltub läätse numbrilisest avast ja valguse lainepikkusest, mis kõnealust objekti valgustab.

Kui objekt on õhus (n=1), siis mikroskoobis on võimalik eristada objekti punkte, mille vaheline kaugus on:

d = ─────

Mikroskoopiliste objektide puhul on nurk  ligi 90 kraadi, siis sin  1, mis tähendab, et mikroskoobis saab uurida objekte, mis asuvad üksteisest ~ 0,61 kaugusel. Visuaalsete vaatluste korral (silma maksimaalne tundlikkus langeb nähtava spektri rohelisele piirkonnale   550 nm) on mikroskoobis näha ~300 nm kaugusel asuvad objektid.

Nagu avaldisest (2) tuleneb, saab mikroskoobi eraldusvõimet suurendada objekti valgustava valguse lainepikkuse vähendamisega. Seega võib objektide pildistamisel ultraviolettvalguses (~ 250-300 nm) mikroskoobi eraldusvõimet kahekordistada.

Üksus h asetatud objektiivi esifookusest veidi kaugemale. Objektiiv annab tõeline, pöördvõrdeline, täiendatud pilt H’ , mis asub okulaari eesmise fookuse ja okulaari optilise keskpunkti vahel. Seda vahepilti vaadatakse läbi okulaari justkui läbi suurendusklaasi. Okulaar annab kujuteldav, otsene, suurendatud pilt H, mis asub parima nägemise kaugusel S ≈ 25 cm silma optilisest keskpunktist.

Vaatame seda pilti silmadega ja see moodustub selle võrkkestale. tõeline, pöördvõrdeline, vähendatud pilt.

Mikroskoobi suurendus– virtuaalkujutise mõõtmete ja mikroskoobi kaudu vaadeldava objekti mõõtmete suhe:
. Korrutage lugeja ja nimetaja vahepildi suurusega H’ :
. Seega on mikroskoobi suurendus võrdne objektiivi suurenduse ja okulaari suurenduse korrutisega. Objektiivi suurendus saab väljendada mikroskoobi omadustega, kasutades täisnurksete kolmnurkade sarnasust
, Kus L  optiline toru pikkus: kaugus objektiivi tagumise fookuse ja okulaari eesmise fookuse vahel (oletame, et L >> F umbes). Okulaari suurendus
. Seetõttu on mikroskoobi suurendus:
.

4. Mikroskoobi eraldusvõime ja eraldusvõime piir. Difraktsiooninähtused mikroskoobis, Abbe teooria kontseptsioon.

Mikroskoobi eraldusvõime piirangz - see on mikroskoobiga vaadatuna väikseim kaugus objekti kahe punkti vahel, kui neid punkte veel eraldi tajutakse. Tavalise bioloogilise mikroskoobi eraldusvõime piir jääb vahemikku 3-4 mikronit. Resolutsioon mikroskoop on võime anda uuritava objekti kahest tihedalt asetsevast punktist eraldi kujutis, see tähendab, et see on eraldusvõime piiri pöördväärtus.

Valguse difraktsioon seab piirid võimele eristada objektide detaile, kui neid mikroskoobiga vaadeldakse. Kuna valgus ei levi sirgjooneliselt, vaid paindub ümber takistuste (antud juhul siis kõnealuste objektide), on objektide väikeste detailide kujutised udused.

soovitas E. Abbe Mikroskoobi eraldusvõime difraktsiooniteooria. Olgu objekt, mida tahame läbi mikroskoobi uurida, perioodiga difraktsioonivõre d. Siis on objekti minimaalne detail, mida peame eristama, täpselt võreperiood. Valguse difraktsioon toimub võrel, kuid mikroskoobi objektiivi läbimõõt on piiratud ja suurte difraktsiooninurkade korral ei satu kogu võre läbiv valgus objektiivi. Tegelikkuses levib valgus objektilt läätse suunas kindlas koonuses. Saadud pilt on originaalile lähedasem, seda rohkem maksimume pildi moodustamisel osaleb. Objektilt tulev valgus levib läätsele kondensaatorist koonuse kujul, mida iseloomustab nurkne ava u- nurk, mille all objektiiv on vaadeldava objekti keskpunktist nähtav, st nurk optilisse süsteemi siseneva koonilise valguskiire välimiste kiirte vahel. E. Abbe sõnul peavad võre kujutise, ka kõige hägusema, kujutise saamiseks läätsesse sisenema difraktsioonimustri mis tahes kahe järku kiired, näiteks kiired, mis moodustavad keskse ja vähemalt esimese difraktsioonimaksimumi. Tuletagem meelde, et difraktsioonvõrele kaldu kiirte langemise korral on selle põhivalem järgmine: . Kui valgus tuleb nurga all , ja difraktsiooninurk esimene maksimum võrdub
, siis võtab valem kuju
. Mikroskoobi eraldusvõime piiri tuleks siis võtta difraktsioonvõre konstandiks
, kus  on valguse lainepikkus.

Nagu valemist näha, on üks viis mikroskoobi eraldusvõime piiri vähendamiseks kasutada lühema lainepikkusega valgust. Sellega seoses kasutatakse ultraviolettmikroskoopi, milles mikroobjekte uuritakse ultraviolettkiirtes. Sellise mikroskoobi optiline põhikonstruktsioon on sarnane tavalise mikroskoobi omaga. Peamine erinevus seisneb UV-valgusele läbipaistvate optiliste seadmete kasutamises ja pildi registreerimise funktsioonides. Kuna silm ultraviolettkiirgust ei taju (lisaks kõrvetab silmi, s.t on nägemisorganile ohtlik), kasutatakse fotoplaate, fluorestsentsekraane või elektrooptilisi muundureid.

Kui eriline vedel keskkond nn keelekümblus, siis väheneb ka eraldusvõime piir:
, Kus n- keelekümbluse absoluutne murdumisnäitaja, A – objektiivi numbriline ava. Kastmiseks kasutatakse vett ( n = 1,33), seedriõli ( n= 1,515), monobromonaftaleen ( n = 1.66) jne. Iga keelekümblustüübi jaoks valmistatakse spetsiaalne lääts ja seda saab kasutada ainult seda tüüpi keelekümblusega.

Teine võimalus mikroskoobi eraldusvõime piiri vähendamiseks on ava nurga suurendamine. See nurk sõltub objektiivi suurusest ja objekti ja objektiivi kaugusest. Objekti ja objektiivi kaugust ei saa aga suvaliselt muuta, see on iga objektiivi puhul konstantne ja objekti ei saa lähemale tuua. Kaasaegsetes mikroskoopides ulatub avanurk 140 o-ni (vastavalt u/2 = 70 o). Selle nurgaga saavutatakse maksimaalsed arvulised avad ja minimaalsed eraldusvõime piirid.

Andmed on antud valguse kaldu langemise kohta objektile ja lainepikkusele 555 nm, mille suhtes inimsilm on kõige tundlikum.

Pange tähele, et okulaar ei mõjuta üldse mikroskoobi eraldusvõimet, see loob ainult objektiivist suurendatud kujutise.

kus l on kaugus läätse ülemise fookuse ja okulaari alumise fookuse vahel; L – parima nägemise kaugus; võrdne 25 cm; F 1 ja F 2 – objektiivi ja okulaari fookuskaugused.

Teades fookuskaugusi F 1, F 2 ja nendevahelist kaugust l, saate leida mikroskoobi suurenduse.

Praktikas ei kasutata mikroskoope, mille suurendus on suurem kui 1500–2000, kuna Võimalus mikroskoobis objekti väikseid detaile eristada on piiratud. See piirang on tingitud valguse difraktsiooni mõjust antud objekti läbivasse struktuuri. Sellega seoses kasutatakse mikroskoobi eraldusvõime piiri ja eraldusvõime mõisteid.

Mikroskoobi eraldusvõime piiri määramine

Mikroskoobi eraldusvõime piirang on väikseim vahemaa objekti kahe punkti vahel, mille juures need on mikroskoobis eraldi nähtavad. See kaugus määratakse järgmise valemiga:

kus λ on valguse lainepikkus; n on läätse ja objekti vahelise keskkonna murdumisnäitaja; u on läätse avanurk, mis on võrdne mikroskoobi läätsesse siseneva koonilise valguskiire välimiste kiirte vahelise nurgaga.

Tegelikkuses levib objekti valgus mikroskoobi läätsele teatud koonuses (joonis 2 a), mida iseloomustab nurkne ava – optilisse süsteemi siseneva koonilise valguskiire välimiste kiirte vaheline nurk u. Piiraval juhul on Abbe järgi koonilise valguskiire välimised kiired, mis vastavad kesksele (null) ja 1. põhimaksimumile (joonis 2 b).

Suurust 2nsin U nimetatakse mikroskoobi arvuliseks apertuuriks. Numbrilist ava saab suurendada spetsiaalse vedela keskkonna abil - keelekümblus– objektiivi ja mikroskoobi katteklaasi vahelises ruumis.

Sukeldussüsteemides saadakse identsete “kuivade” süsteemidega võrreldes suurem avanurk (joonis 3).

Joonis 3. Keelekümblussüsteemi diagramm

Keelekümblusena kasutatakse vett (n = 1,33), seedriõli (n = 1,514) jne. Iga keelekümbluse jaoks arvutatakse spetsiaalselt lääts ja seda saab kasutada ainult selle immersiooniga.

Valem näitab, et mikroskoobi eraldusvõime piir sõltub valguse lainepikkusest ja mikroskoobi numbrilisest avast. Mida lühem on valguse lainepikkus ja suurem ava, seda väiksem on Z ja seega ka mikroskoobi eraldusvõime piir. Valge (päevavalguse) valguse puhul võib keskmiseks lainepikkuseks võtta λ = 0,55 µm. Õhu murdumisnäitaja on n = 1.

Mikroskoop mbs-1

MBS-1 on stereoskoopiline mikroskoop, mis annab vaadeldavast objektist otsese kolmemõõtmelise kujutise nii läbiva kui ka peegeldunud valguses.

Mikroskoop koosneb neljast põhiosast:

- laud;

- statiiv;

– jäme etteandemehhanismiga optiline pea;

– okulaari kinnitus.

Mikroskoobi lava koosneb ümarast korpusest, mille sisse on paigaldatud peegel- ja mattpindadega pöörlev reflektor. Päevavalgusega töötamiseks on korpusel väljalõige, millest valgus läbib vabalt. Laua korpuse tagaküljel on keermestatud auk elektrivalgustiga töötamiseks. Mikroskoobi aluse külge on kinnitatud optiline pea - seadme põhiosa, millesse on monteeritud olulisemad optilised komponendid.

Optilise pea korpuses on trummel, millesse on paigaldatud Galilei süsteemid. Pöörake trumli telge, kasutades käepidemeid trükitud numbritega 0,6; 1; 2; 4; 7 saavutada erinevaid objektiivi suurendusi. Trumli iga asend on selgelt fikseeritud spetsiaalse vedruklambriga. Kasutades mikroskoobi statiivi käepidet, mis liigutab optilist pead, saavutatakse kõnealuse objekti teravim pilt.

Kogu optilist pead saab statiivivardale liigutada ja igas asendis kruviga kinnitada. Okulaari kinnitus koosneb juhikust, mis on ristkülikukujuline detail, millel on kaks ava objektiiviraamide jaoks.

Läbi okulaaride vaatlemisel peate okulaari torusid keerama, et leida asend, kus kaks pilti on üheks ühendatud. Järgmisena suunake mikroskoop uuritavale objektile ja pöörake reflektorit, et saavutada välja ühtlane valgustus. Valgustuse reguleerimisel liigub pistikupesa koos lambiga kollektori poole, kuni saavutatakse vaadeldava objekti parim valgustus.

Põhimõtteliselt on MBS-1 mõeldud ettevalmistustöödeks, objektide vaatlemiseks, samuti lineaarsete mõõtmiste tegemiseks või ettevalmistuse lõikude pindalade mõõtmiseks. Mikroskoobi optiline diagramm on näidatud joonisel fig. 4.

MBS-1 mikroskoobi optiline diagramm on näidatud joonisel fig. 4.

Läbiva valgusega töötades valgustab valgusallikas (1) reflektori (2) ja kollektori (3) abil lavale (4) paigaldatud läbipaistvat näidist.

Objektiivina kasutati spetsiaalset süsteemi, mis koosneb 4 objektiivist (5) fookuskaugusega = 80 mm ja 2 paarist Galilei süsteemidest (6) ja (7), mille taga on objektiivid (8) fookuskaugusega 160 mm, mis moodustavad pildi objektist okulaaride fookustasanditel.

Objektiivist (5), Galilei süsteemidest (6) ja (7) ning läätsedest (8) koosneva optilise süsteemi lineaarne kogusuurendus on: 0,6; 1; 2; 4; 7. Läätsede (8) taga on 2 Schmidti prismat (9), mis võimaldavad okulaari torusid vastavalt vaatleja silmale pöörata ilma objektiivi pilti pööramata.

1 – valgusallikas;

2 – helkur;

3 – koguja;

4 – objektitabel;

5 – objektiiv (F = 80 mm);

6, 7 – Galilei süsteemid;

8 – läätsed (F = 160 mm);

9 – Schmidti prismad;

10 – okulaarid.

Riis. 4. MBS-1 mikroskoobi optiline disain

Mikroskoobiga MBS-1 on kaasas 3 paari okulaari (10) suurendusega 6; 8; 12,5 ja üks 8x suurendusega okulaari mikromeeter koos võrega. Need võimaldavad teil muuta mikroskoobi üldist suurendust vahemikus 3,6 kuni 88 (tabel 1). Mikroskoobi kogusuurendus on okulaari ja objektiivi suurenduse korrutis.

Tabel 1.

MBS-1 mikroskoobi optilised omadused

Suurendama	Objektiivi suurendus
Suurendama

Silma eraldusvõime on piiratud. Resolutsioon iseloomustatud lahendatud kaugus, st. minimaalne vahemaa kahe naaberosakese vahel, mille juures need on veel eraldi nähtavad. Lahustatud kaugus palja silma jaoks on umbes 0,2 mm. Eraldusvõime suurendamiseks kasutatakse mikroskoopi. Metallide struktuuri uurimiseks kasutas mikroskoopi esmakordselt 1831. aastal damaskiterast uurinud P. P. Anosov ja hiljem, 1863. aastal meteoriidirauda uurinud inglane G. Sorby.

Lubatud kaugus määratakse suhtega:

Kus l- uuritavast objektist läätseni tuleva valguse lainepikkus, n– objekti ja läätse vahel paikneva keskkonna murdumisnäitaja ja a- nurkava, mis on võrdne kujutist tekitavasse objektiivi siseneva kiirte kiire avanemisnurga poolega. See objektiivi oluline omadus on graveeritud objektiivi raamile.

Headel objektiividel on maksimaalne avanurk a = 70° ja sina » 0,94. Enamikus uuringutes kasutatakse õhus töötavaid kuivi objektiive (n = 1). Lahustatud kauguse vähendamiseks kasutatakse keelekümblusläätsi. Objekti ja läätse vaheline ruum täidetakse läbipaistva vedelikuga (immersioon), millel on kõrge murdumisnäitaja. Tavaliselt kasutatakse tilka seedriõli (n = 1,51).

Kui võtta nähtava valge valguse jaoks l = 0,55 µm, on valgusmikroskoobi minimaalne eralduskaugus:

Seega on valgusmikroskoobi lahutusvõime piiratud valguse lainepikkusega. Objektiiv suurendab objekti vahepilti, mida vaadatakse läbi okulaari, justkui läbi suurendusklaasi. Okulaar suurendab objekti vahepealset kujutist ega saa suurendada mikroskoobi eraldusvõimet.

Mikroskoobi kogusuurendus on võrdne objektiivi ja okulaari suurenduse korrutisega. Metallograafilisi mikroskoope kasutatakse metallide struktuuri uurimiseks 20-2000-kordse suurendusega.

Algajad teevad tavalise vea, üritades struktuuri kohe suure suurendusega vaadata. Tuleb meeles pidada, et mida suurem on objekti suurendus, seda väiksem on mikroskoobi vaateväljas nähtav ala. Seetõttu on soovitatav alustada uuringut nõrga läätsega, et kõigepealt hinnata metallkonstruktsiooni üldist olemust suurel alal. Kui alustada mikroanalüüsi tugeva läätsega, siis ei pruugi paljud metallkonstruktsiooni olulised omadused märkamatuks jääda.

Pärast struktuuri üldist vaadet mikroskoobi väikese suurendusega valitakse sellise eraldusvõimega lääts, et näha struktuuri kõiki vajalikke väikseimaid detaile.

Okulaar on valitud nii, et objektiivi abil suurendatud struktuuri detailid oleksid selgelt nähtavad. Kui okulaari suurendusest ei piisa, jäävad objektiivi tekitatud vahepildi peened detailid läbi mikroskoobi nägemata ja seega jääb kasutamata objektiivi täislahutusvõime. Kui okulaari suurendus on liiga suur, ei tule esile uusi struktuurseid detaile, samas ähmastuvad juba tuvastatud detailide kontuurid ning vaateväli muutub kitsamaks. Selle raamile on graveeritud okulaari enda suurendus (näiteks 7x).