Moć povećanja mikroskopa. Kvaliteta slike. Razlučivost uređaja

Cilj rada. Upoznavanje s uređajem mikroskopa i određivanje njegove rezolucije.

Uređaji i pribor: Mikroskop, metalna pločica s rupom, ogledalo za osvjetljavanje, ravnalo sa skalom.

Uvod

Mikroskop se sastoji od objektiva i okulara, koji su složeni sustavi leća. Put zraka u mikroskopu prikazan je na slici 1, na kojoj su objektiv i okular predstavljeni jednom lećom.

Predmet AB postavljen je nešto dalje od glavnog fokusa leće F oko. Leća mikroskopa daje stvarnu, inverznu i uvećanu sliku predmeta (AB na slici 1.), koja se formira iza dvostruke žarišne duljine leće. Uvećanu sliku okular promatra kao povećalo. Slika predmeta gledana kroz okular je virtualna, inverzna i uvećana.

Udaljenost između stražnjeg fokusa leće i prednjeg fokusa okulara naziva se optički razmak sustava ili duljina optičke cijevi mikroskop .

Povećanje mikroskopa može se odrediti povećanjem objektiva i okulara:

N = N oko  N oko = ───── (1)

f oko  f u redu

gdje su N o i N o povećanje objektiva i okulara; D - udaljenost najboljeg vida za normalno oko (~25 cm);  je optička duljina tubusa mikroskopa; f oko i f u redu- glavne žarišne duljine leće i okulara.

Analizirajući formulu (1), možemo zaključiti da mikroskopi s velikim povećanjem mogu pregledati sve male predmete. Međutim, korisno povećanje koje omogućuje mikroskop ograničeno je fenomenom difrakcije, koji postaje uočljiv kada se promatraju objekti čije su dimenzije usporedive s valnom duljinom svjetlosti.

Granica razlučivosti mikroskop je najmanji razmak između točaka čija se slika zasebno dobiva u mikroskopu.

Prema Abbeovoj teoriji, granica rezolucije mikroskopa određena je izrazom:

d = ───── (2)

gdje je d linearna veličina predmetnog objekta;  - valna duljina korištene svjetlosti; n je indeks loma medija između predmeta i leće;  je kut između glavne optičke osi mikroskopa i granične zrake (slika 2).

U naziva se veličina A = nsin numerički otvor objektiva , a recipročna vrijednost d je rezolucija mikroskopa . Iz izraza (2) proizlazi da rezolucija mikroskopa ovisi o numeričkom otvoru leće i valnoj duljini svjetlosti koja osvjetljava predmetni predmet.

Ako je predmet u zraku (n=1), tada je u mikroskopu moguće razlikovati točke objekta čija je udaljenost:

d = ─────

Za mikroskopske objekte kut  je blizu 90 stupnjeva, zatim sin  1, što znači da se predmeti koji se nalaze na međusobnoj udaljenosti ~ 0,61 mogu pregledati mikroskopom. U slučaju vizualnih promatranja (maksimalna osjetljivost oka pada na zeleno područje vidljivog spektra   550 nm), mikroskopom se mogu vidjeti objekti koji se nalaze na udaljenosti od ~300 nm.

Kao što slijedi iz izraza (2), rezolucija mikroskopa može se povećati smanjenjem valne duljine svjetlosti koja osvjetljava predmet. Tako se pri fotografiranju predmeta u ultraljubičastom svjetlu (~ 250-300 nm) rezolucija mikroskopa može udvostručiti.

Artikal h postavljen malo dalje od prednjeg fokusa objektiva. Objektiv daje pravi, inverzni, uvećani slika H’ , koji se nalazi između prednjeg fokusa okulara i optičkog središta okulara. Ta se međuslika promatra kroz okular kao kroz povećalo. Okular daje imaginaran, izravan, uvećan slika H, koji se nalazi na udaljenosti najboljeg vida S ≈ 25 cm od optičkog središta oka.

Tu sliku gledamo svojim očima i ona se formira na njezinoj mrežnici. pravi, inverzni, reducirani slika.

Povećanje mikroskopa– omjer dimenzija virtualne slike i dimenzija objekta promatranog kroz mikroskop:
. Pomnožite brojnik i nazivnik s veličinom međuslike H’ :
. Dakle, povećanje mikroskopa jednako je umnošku povećanja objektiva i povećanja okulara. Povećanje objektiva može se izraziti u smislu karakteristika mikroskopa pomoću sličnosti pravokutnih trokuta
, Gdje L  optički duljina cijevi: udaljenost između stražnjeg fokusa leće i prednjeg fokusa okulara (pretpostavljamo da L >> F oko). Povećanje okulara
. Dakle, povećanje mikroskopa je:
.

4. Razlučivost i granica razlučivosti mikroskopa. Difrakcijski fenomeni u mikroskopu, pojam Abbeove teorije.

Granica rezolucije mikroskopaz - ovo je najmanja udaljenost između dviju točaka predmeta promatranih kroz mikroskop, kada se te točke još uvijek percipiraju odvojeno. Granica rezolucije konvencionalnog biološkog mikroskopa je u rasponu od 3-4 mikrona. Rezolucija mikroskop je sposobnost pružanja zasebne slike dviju blisko smještenih točaka predmeta koji se proučava, to jest, ovo je recipročna vrijednost granice razlučivosti.

Difrakcija svjetlosti ograničava sposobnost razlikovanja detalja predmeta kada se promatraju kroz mikroskop. Budući da se svjetlost ne širi pravocrtno, već se savija oko prepreka (u ovom slučaju predmeta o kojima je riječ), slike sitnih detalja predmeta ispadaju mutne.

E. Abbe je predložio difrakcijska teorija rezolucije mikroskopa. Neka objekt koji želimo promatrati kroz mikroskop bude difrakcijska rešetka s periodom d. Tada će minimalni detalj objekta koji moramo razlikovati biti upravo period rešetke. Do difrakcije svjetlosti dolazi na rešetki, ali je promjer objektiva mikroskopa ograničen, a pri velikim kutovima difrakcije ne ulazi sva svjetlost koja prolazi kroz rešetku u objektiv. U stvarnosti se svjetlost s predmeta širi prema leći u određenom stošcu. Rezultirajuća slika je bliža izvorniku što je više maksimuma uključeno u formiranje slike. Svjetlost s predmeta širi se do leće iz kondenzora u obliku stošca koji karakterizira kutni otvor u- kut pod kojim je leća vidljiva iz središta promatranog predmeta, odnosno kut između vanjskih zraka stožaste svjetlosne zrake koja ulazi u optički sustav. Prema E. Abbeu, da bi se dobila slika rešetke, čak i ona najnejasnija, u leću moraju ući zrake bilo koja dva reda difrakcijskog uzorka, na primjer, zrake koje tvore središnji i barem prvi difrakcijski maksimum. Podsjetimo se da za kosi upad zraka na difrakcijsku rešetku njegova glavna formula ima oblik: . Ako svjetlost dolazi pod kutom , i difrakcijski kut za prvi maksimum jednaki
, tada formula poprima oblik
. Granicu rezolucije mikroskopa treba uzeti kao konstantu difrakcijske rešetke
, gdje je  valna duljina svjetlosti.

Kao što se može vidjeti iz formule, jedan od načina da se smanji granica rezolucije mikroskopa je korištenje svjetla s kraćom valnom duljinom. U tom smislu koristi se ultraljubičasti mikroskop, u kojem se mikroobjekti ispituju u ultraljubičastim zrakama. Osnovni optički dizajn takvog mikroskopa sličan je onom konvencionalnog mikroskopa. Glavna razlika je korištenje optičkih uređaja koji su prozirni za UV svjetlo i značajke registracije slike. Budući da oko ne percipira ultraljubičasto zračenje (osim toga, ono peče oči, tj. opasno je za organ vida), koriste se fotografske ploče, fluorescentni zasloni ili elektrooptički pretvarači.

Ako poseban tekući medij tzv uranjanje, tada se smanjuje i granica rezolucije:
, Gdje n– apsolutni indeks loma uranjanja, A – numerički otvor objektiva. Voda se koristi za uranjanje ( n = 1.33), cedrovo ulje ( n= 1,515), monobromnaftalen ( n = 1.66) itd. Za svaku vrstu imerzije izrađuje se posebna leća, koja se može koristiti samo s ovom vrstom imerzije.

Drugi način smanjenja granice rezolucije mikroskopa je povećanje kuta otvora. Taj kut ovisi o veličini leće i udaljenosti objekta od leće. Međutim, udaljenost od predmeta do leće ne može se proizvoljno mijenjati, ona je konstantna za svaku leću i predmet se ne može približiti. U modernim mikroskopima, kut otvora doseže 140 o (odnosno, u/2 = 70 o). S ovim kutom se postižu maksimalne numeričke aperture i minimalne granice rezolucije.

Podatak je dat za kosi pad svjetlosti na objekt i valnu duljinu od 555 nm, na koju je ljudsko oko najosjetljivije.

Imajte na umu da okular uopće ne utječe na rezoluciju mikroskopa, on samo stvara uvećanu sliku leće.

gdje je l udaljenost između gornjeg fokusa leće i donjeg fokusa okulara; L – udaljenost najboljeg vida; jednako 25 cm; F 1 i F 2 – žarišne duljine leće i okulara.

Poznavajući žarišne duljine F 1, F 2 i udaljenost između njih l, možete pronaći povećanje mikroskopa.

U praksi se ne koriste mikroskopi s povećanjem većim od 1500-2000, jer Sposobnost razlikovanja sitnih detalja predmeta u mikroskopu je ograničena. Ovo ograničenje je uzrokovano utjecajem difrakcije svjetlosti u prolaznoj strukturi određenog objekta. U tom smislu koriste se pojmovi granice razlučivosti i moći razlučivosti mikroskopa.

Određivanje granice rezolucije mikroskopa

Granica rezolucije mikroskopa je najmanja udaljenost između dviju točaka na predmetu na kojoj su one odvojeno vidljive mikroskopom. Ova udaljenost određena je formulom:

gdje je λ valna duljina svjetlosti; n je indeks loma medija između leće i predmeta; u je kut otvora leće, jednak kutu između vanjskih zraka stožaste zrake svjetlosti koja ulazi u leću mikroskopa.

U stvarnosti se svjetlost od predmeta širi do leće mikroskopa u određenom konusu (slika 2 a), koji je karakteriziran kutnom aperturom - kutom u između vanjskih zraka konusne svjetlosne zrake koja ulazi u optički sustav. U graničnom slučaju, prema Abbeu, vanjske zrake konusnog svjetlosnog snopa bit će zrake koje odgovaraju središnjem (nultom) i 1. glavnom maksimumu (slika 2 b).

Veličinu 2nsin U nazivamo numeričkom aperturom mikroskopa. Numerička apertura se može povećati pomoću posebnog tekućeg medija - uranjanje– u prostoru između objektiva i pokrovnog stakla mikroskopa.

U uronjenim sustavima, u usporedbi s identičnim "suhim" sustavima, dobiva se veći kut otvora (slika 3).

sl.3. Dijagram uronjenog sustava

Kao imerzija koristi se voda (n = 1,33), cedrovo ulje (n = 1,514) itd. Za svaku imerziju se posebno izračunava leća, koja se može koristiti samo s ovom uronom.

Formula pokazuje da granica rezolucije mikroskopa ovisi o valnoj duljini svjetlosti i numeričkoj aperturi mikroskopa. Što je valna duljina svjetlosti kraća i što je otvor blende veći, Z je manji, a samim time i veća je granica rezolucije mikroskopa. Za bijelu (dnevnu) svjetlost, prosječna valna duljina može se uzeti kao λ = 0,55 µm. Indeks loma zraka je n = 1.

Mikroskop mbs-1

MBS-1 je stereoskopski mikroskop koji daje izravnu trodimenzionalnu sliku promatranog objekta u propuštenoj i reflektiranoj svjetlosti.

Mikroskop se sastoji od 4 glavna dijela:

– stol;

– tronožac;

– optička glava s mehanizmom grubog dodavanja;

– nastavak za okular.

Stalak mikroskopa sastoji se od okruglog tijela unutar kojeg je ugrađen rotirajući reflektor sa zrcalnim i mat površinama. Za rad s dnevnim svjetlom kućište ima izrez kroz koji svjetlost slobodno prolazi. Na stražnjoj strani tijela stola nalazi se otvor s navojem za rad s električnim iluminatorom. Na stalak mikroskopa pričvršćena je optička glava - glavni dio uređaja u koji su ugrađene najvažnije optičke komponente.

Kućište optičke glave sadrži bubanj u koji su ugrađeni Galilejevi sustavi. Rotirajte os bubnja koristeći ručke s otisnutim brojevima 0,6; 1; 2; 4; 7 postižu različita povećanja objektiva. Svaki položaj bubnja jasno je fiksiran posebnom opružnom stezaljkom. Pomoću ručke na stativu mikroskopa, kojom se pomiče optička glava, postiže se najoštrija slika predmetnog objekta.

Cijela optička glava može se pomicati na šipki stativa i učvrstiti u bilo kojem položaju pomoću vijka. Dodatak okulara sastoji se od vodilice, koja je pravokutni komad s dvije rupe za okvire objektiva.

Kada promatrate kroz okulare, potrebno je okrenuti cijevi okulara kako biste pronašli položaj u kojem se dvije slike spajaju u jednu. Zatim usmjerite mikroskop na predmet koji proučavate i zakrenite reflektor kako biste postigli ravnomjerno osvjetljenje polja. Pri podešavanju osvjetljenja grlo sa svjetiljkom se pomiče prema kolektoru dok se ne postigne najbolje osvjetljenje promatranog objekta.

U osnovi, MBS-1 je namijenjen za pripremne radove, za promatranje objekata, kao i za izvođenje linearnih mjerenja ili mjerenje površina presjeka preparacije. Optički dijagram mikroskopa prikazan je na sl. 4.

Optički dijagram mikroskopa MBS-1 prikazan je na sl. 4.

Pri radu u propusnom svjetlu izvor svjetlosti (1) uz pomoć reflektora (2) i kolektora (3) osvjetljava prozirni uzorak montiran na postolju (4).

Kao leća korišten je poseban sustav koji se sastoji od 4 leće (5) žarišne duljine = 80 mm i 2 para Galilejevih sustava (6) i (7) iza kojih se nalaze leće (8) žarišne duljine od 160 mm, koji tvore sliku objekta u žarišnim ravninama okulara.

Ukupno linearno povećanje optičkog sustava koji se sastoji od leće (5), Galilejevih sustava (6) i (7) i leća (8) iznosi: 0,6; 1; 2; 4; 7. Iza leća (8) nalaze se 2 Schmidtove prizme (9), koje omogućuju rotiranje cijevi okulara prema oku promatrača bez rotacije slike leće.

1 – izvor svjetlosti;

2 – reflektor;

3 – kolektor;

4 – predmetni stol;

5 – leća (F = 80 mm);

6, 7 – Galilejski sustavi;

8 – leće (F = 160 mm);

9 – Schmidtove prizme;

10 – okulari.

Riža. 4. Optička konstrukcija mikroskopa MBS-1

Mikroskop MBS-1 dolazi s 3 para okulara (10) s povećanjem od 6; 8; 12,5 i jedan mikrometar okulara s povećanjem od 8x s končanicom. Omogućuju vam mijenjanje ukupnog povećanja mikroskopa od 3,6 do 88 (Tablica 1). Ukupno povećanje mikroskopa umnožak je povećanja okulara i povećanja objektiva.

Stol 1.

Optičke karakteristike mikroskopa MBS-1

Povećati	Povećanje objektiva
Povećati

Razlučivost oka je ograničena. Rezolucija okarakteriziran riješena udaljenost, tj. minimalna udaljenost između dviju susjednih čestica na kojoj su još uvijek vidljive odvojeno. Razlučna udaljenost za golo oko je oko 0,2 mm. Za povećanje rezolucije koristi se mikroskop. Za proučavanje strukture metala mikroskop je 1831. prvi put upotrijebio P. P. Anosov, proučavajući damask čelik, a kasnije, 1863., Englez G. Sorby, proučavajući meteoritsko željezo.

Dopuštena udaljenost određena je odnosom:

Gdje l- valna duljina svjetlosti koja dolazi od predmeta proučavanja do leće, n– indeks loma sredstva koje se nalazi između predmeta i leće, i a- kutni otvor jednak polovici kuta otvora snopa zraka koji ulazi u leću koja stvara sliku. Ova važna karakteristika objektiva ugravirana je na okviru objektiva.

Dobri objektivi imaju maksimalni kut otvora a = 70° i sina » 0,94. Većina studija koristi suhe objektive koji rade na zraku (n = 1). Za smanjenje razlučene udaljenosti koriste se imerzijske leće. Prostor između predmeta i leće ispunjen je prozirnom tekućinom (imerzija) s visokim indeksom loma. Obično se koristi kap ulja cedra (n = 1,51).

Ako uzmemo l = 0,55 µm za vidljivo bijelo svjetlo, tada je minimalna udaljenost razlučivosti svjetlosnog mikroskopa:

Dakle, moć razlučivanja svjetlosnog mikroskopa ograničena je valnom duljinom svjetlosti. Leća povećava međusliku predmeta, koji se promatra kroz okular, kao kroz povećalo. Okular povećava međusliku predmeta i ne može povećati rezoluciju mikroskopa.

Ukupno povećanje mikroskopa jednako je umnošku povećanja objektiva i okulara. Metalografski mikroskopi koriste se za proučavanje strukture metala s povećanjem od 20 do 2000 puta.

Početnici čine uobičajenu pogrešku pokušavajući vidjeti strukturu odmah pod velikim povećanjem. Treba imati na umu da što je veće povećanje predmeta, to je manje vidljivo područje u vidnom polju mikroskopa. Stoga se preporuča započeti studiju korištenjem slabe leće kako bi se prvo procijenila opća priroda metalne strukture na velikom području. Ako započnete mikroanalizu pomoću jake leće, mnoge važne značajke metalne strukture možda nećete primijetiti.

Nakon općeg pregleda strukture pri malim povećanjima mikroskopa odabire se leća takve rezolucije da se vide svi potrebni najsitniji detalji strukture.

Okular je odabran tako da su detalji strukture, uvećani lećom, jasno vidljivi. Ako povećanje okulara nije dovoljno, sitni detalji posredne slike koju stvara leća neće se vidjeti kroz mikroskop, pa se stoga neće koristiti puna razlučivost leće. Ako je povećanje okulara preveliko, neće se otkriti novi strukturni detalji, a istovremeno će se zamutiti konture već identificiranih detalja, a vidno polje će se suziti. Vlastito povećanje okulara ugravirano je na okvir (na primjer, 7 x).