Kekuatan pembesar mikroskop. Kualitas gambar. Resolusi perangkat

Tujuan pekerjaan. Pembiasaan dengan perangkat mikroskop dan penentuan resolusinya.

Perangkat dan aksesori: Mikroskop, pelat logam berlubang kecil, cermin penerangan, penggaris dengan skala.

Perkenalan

Mikroskop terdiri dari lensa dan lensa mata, yang merupakan sistem lensa yang kompleks. Jalur sinar dalam mikroskop ditunjukkan pada Gambar 1, di mana lensa objektif dan lensa okuler diwakili oleh lensa tunggal.

Benda AB yang dimaksud diletakkan agak jauh dari fokus utama lensa F tentang. Lensa mikroskop memberikan bayangan benda yang nyata, terbalik dan diperbesar (AB pada Gambar 1), yang terbentuk di belakang dua kali panjang fokus lensa. Bayangan yang diperbesar dilihat oleh lensa mata sebagai kaca pembesar. Bayangan suatu benda yang dilihat melalui lensa okuler bersifat maya, terbalik, dan diperbesar.

Jarak antara fokus belakang lensa dan fokus depan lensa okuler disebut jarak optik sistem atau panjang tabung optik mikroskop .

Perbesaran mikroskop dapat ditentukan dengan perbesaran lensa objektif dan lensa okuler:

N = N tentang  N tentang = ───── (1)

f tentang  f oke

dimana N o dan N o masing-masing adalah perbesaran lensa dan lensa okuler; D - jarak penglihatan terbaik untuk mata normal (~25 cm);  adalah panjang optik tabung mikroskop; F tentang dan f OKE- panjang fokus utama lensa dan lensa okuler.

Jika dianalisis rumus (1), kita dapat menyimpulkan bahwa mikroskop dengan perbesaran tinggi dapat mengamati benda kecil apa pun. Namun, perbesaran berguna yang diberikan oleh mikroskop dibatasi oleh fenomena difraksi, yang menjadi terlihat saat melihat objek yang dimensinya sebanding dengan panjang gelombang cahaya.

Batas resolusi mikroskop adalah jarak terkecil antar titik, yang bayangannya diperoleh secara terpisah di mikroskop.

Menurut teori Abbe, batas resolusi mikroskop ditentukan oleh persamaan:

d = ───── (2)

dimana d adalah ukuran linier benda yang bersangkutan;  - panjang gelombang cahaya yang digunakan; n adalah indeks bias medium antara benda dan lensa;  adalah sudut antara sumbu optik utama mikroskop dan sinar batas (Gbr. 2).

DI DALAM besaran A = nsin disebut bukaan numerik lensa , dan kebalikan dari d adalah resolusi mikroskop . Dari persamaan (2) dapat disimpulkan bahwa resolusi mikroskop bergantung pada bukaan numerik lensa dan panjang gelombang cahaya yang menerangi objek yang bersangkutan.

Jika benda berada di udara (n=1), maka pada mikroskop dapat dibedakan titik-titik benda yang jaraknya adalah:

d = ─────

Untuk benda mikroskopis sudut  mendekati 90 derajat, maka sin  1 yang berarti benda yang terletak pada jarak ~0,61 satu sama lain dapat diperiksa dengan mikroskop. Dalam kasus pengamatan visual (sensitivitas maksimum mata berada pada wilayah hijau dari spektrum tampak   550 nm), objek yang terletak pada jarak ~300 nm dapat dilihat di mikroskop.

Sebagai berikut dari persamaan (2), resolusi mikroskop dapat ditingkatkan dengan mengurangi panjang gelombang cahaya yang menerangi suatu benda. Jadi, saat memotret objek dalam sinar ultraviolet (~ 250-300 nm), resolusi mikroskop bisa berlipat ganda.

Barang H ditempatkan sedikit lebih jauh dari fokus depan lensa. Lensa memberi nyata, terbalik, ditambah gambar H’ , terletak di antara fokus depan lensa mata dan pusat optik lensa mata. Gambar perantara ini dilihat melalui lensa mata seolah-olah melalui kaca pembesar. Lensa mata memberi imajiner, langsung, diperbesar gambar H, yang terletak pada jarak penglihatan terbaik S ≈ 25 cm dari pusat optik mata.

Kita melihat gambar ini dengan mata kita dan itu terbentuk di retinanya. nyata, terbalik, tereduksi gambar.

Pembesaran Mikroskop– perbandingan dimensi bayangan maya dengan dimensi benda yang dilihat melalui mikroskop:
. Kalikan pembilang dan penyebutnya dengan ukuran gambar perantara H’ :
. Jadi, perbesaran mikroskop sama dengan hasil kali perbesaran objektif dan perbesaran lensa okuler. Pembesaran lensa dapat dinyatakan dalam ciri-ciri mikroskop dengan menggunakan persamaan segitiga siku-siku
, Di mana Loptik panjang tabung: jarak antara fokus belakang lensa dan fokus depan lensa okuler (kita asumsikan demikian L >> F tentang). Pembesaran lensa mata
. Jadi, perbesaran mikroskop adalah:
.

4. Resolusi dan batas resolusi mikroskop. Fenomena difraksi pada mikroskop, konsep teori Abbe.

Batas resolusi mikroskopz - ini adalah jarak terkecil antara dua titik suatu benda yang dilihat melalui mikroskop, ketika titik-titik tersebut masih dilihat secara terpisah. Batas resolusi mikroskop biologi konvensional terletak pada kisaran 3-4 mikron. Resolusi mikroskop adalah kemampuan untuk memberikan gambaran terpisah dari dua titik yang letaknya berdekatan dari objek yang diteliti, yaitu kebalikan dari batas resolusi.

Difraksi cahaya membatasi kemampuan membedakan detail suatu benda jika diamati melalui mikroskop. Karena cahaya tidak merambat lurus, tetapi membelok di sekitar rintangan (dalam hal ini, objek yang dimaksud), gambar detail kecil objek menjadi buram.

E. Abbe menyarankan teori difraksi resolusi mikroskop. Misalkan benda yang ingin kita periksa melalui mikroskop berupa kisi difraksi yang mempunyai titik D. Maka detail minimum objek yang harus kita bedakan adalah periode kisi. Difraksi cahaya terjadi pada kisi, tetapi diameter objektif mikroskop terbatas, dan pada sudut difraksi besar, tidak semua cahaya yang melewati kisi masuk ke objektif. Faktanya, cahaya dari suatu benda merambat menuju lensa dalam kerucut tertentu. Semakin mendekati gambar aslinya maka semakin maksimal pula terlibat dalam pembentukan gambar tersebut. Cahaya dari suatu benda merambat ke lensa dari kondensor yang berbentuk kerucut, yang dicirikan oleh bukaan sudut kamu- sudut pandang lensa dari pusat objek yang ditinjau, yaitu sudut antara sinar terluar berkas cahaya berbentuk kerucut yang memasuki sistem optik. Menurut E. Abbe, untuk memperoleh gambaran kisi, bahkan yang paling kabur sekalipun, sinar dari dua orde pola difraksi harus masuk ke lensa, misalnya sinar yang membentuk pusat dan paling sedikit sinar difraksi maksimum pertama. Ingatlah bahwa untuk sinar datang miring pada kisi difraksi, rumus utamanya berbentuk: . Jika cahaya datang dari sudut tertentu , dan sudut difraksi untuk maksimum pertama sama
, maka rumusnya mengambil bentuk
. Batas resolusi mikroskop harus diambil sebagai konstanta kisi difraksi
, dimana  adalah panjang gelombang cahaya.

Terlihat dari rumusnya, salah satu cara untuk memperkecil batas resolusi mikroskop adalah dengan menggunakan cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek. Dalam hal ini, mikroskop ultraviolet digunakan, di mana objek mikro diperiksa dalam sinar ultraviolet. Desain optik dasar mikroskop semacam itu mirip dengan mikroskop konvensional. Perbedaan utamanya adalah penggunaan perangkat optik yang transparan terhadap sinar UV dan fitur registrasi gambar. Karena mata tidak merasakan radiasi ultraviolet (selain itu, dapat membakar mata, sehingga berbahaya bagi organ penglihatan), pelat fotografi, layar fluoresen, atau konverter elektro-optik digunakan.

Jika media cair khusus disebut pencelupan, maka batas resolusinya juga berkurang:
, Di mana N– indeks bias mutlak perendaman, A – bukaan numerik lensa. Air digunakan sebagai perendaman ( N = 1.33), minyak cedar ( N= 1,515), monobromonaftalena ( N = 1.66), dst. Untuk setiap jenis perendaman, dibuat lensa khusus, dan hanya dapat digunakan dengan jenis perendaman ini.

Cara lain untuk mengurangi batas resolusi mikroskop adalah dengan meningkatkan sudut bukaan. Sudut ini bergantung pada ukuran lensa dan jarak subjek ke lensa. Namun jarak benda ke lensa tidak bisa diubah sembarangan, selalu konstan untuk setiap lensa dan benda tidak bisa didekatkan. Dalam mikroskop modern, sudut bukaan mencapai 140 o (masing-masing, kamu/2 = 70o). Dengan sudut ini, diperoleh aperture numerik maksimum dan batas resolusi minimum.

Data diberikan untuk kejadian cahaya miring pada suatu objek dan panjang gelombang 555 nm, yang paling sensitif bagi mata manusia.

Perlu diketahui bahwa lensa okuler sama sekali tidak mempengaruhi resolusi mikroskop, hanya menghasilkan gambar lensa yang diperbesar.

dimana l adalah jarak antara fokus atas lensa dan fokus bawah lensa okuler; L – jarak penglihatan terbaik; sama dengan 25 cm; F 1 dan F 2 – panjang fokus lensa dan lensa okuler.

Mengetahui panjang fokus F 1, F 2 dan jarak antara keduanya l, Anda dapat mencari perbesaran mikroskop.

Dalam praktiknya, mikroskop dengan perbesaran lebih dari 1500–2000 tidak digunakan karena Kemampuan membedakan detail kecil suatu benda di mikroskop terbatas. Keterbatasan ini disebabkan oleh pengaruh difraksi cahaya pada struktur lintasan suatu benda. Dalam hal ini digunakan konsep batas resolusi dan daya pisah mikroskop.

Menentukan batas resolusi mikroskop

Batas resolusi mikroskop adalah jarak terkecil antara dua titik pada suatu benda yang dapat dilihat secara terpisah melalui mikroskop. Jarak ini ditentukan dengan rumus:

,

dimana λ adalah panjang gelombang cahaya; n adalah indeks bias medium antara lensa dan benda; u adalah sudut bukaan lensa, sama dengan sudut antara sinar terluar berkas cahaya berbentuk kerucut yang masuk ke lensa mikroskop.

Pada kenyataannya, cahaya dari suatu benda merambat ke lensa mikroskop dalam kerucut tertentu (Gbr. 2 a), yang dicirikan oleh bukaan sudut - sudut u antara sinar luar berkas cahaya berbentuk kerucut yang memasuki sistem optik. Dalam kasus pembatas, menurut Abbe, sinar terluar dari berkas cahaya berbentuk kerucut adalah sinar yang bersesuaian dengan titik pusat (nol) dan maksimum utama ke-1 (Gbr. 2 b).

Besaran 2nsin U disebut bukaan numerik mikroskop. Bukaan numerik dapat ditingkatkan menggunakan media cair khusus - pencelupan– pada ruang antara objektif dan kaca penutup mikroskop.

Dalam sistem perendaman, dibandingkan dengan sistem “kering” yang identik, diperoleh sudut bukaan yang lebih besar (Gbr. 3).

Gambar.3. Diagram sistem perendaman

Air (n = 1,33), minyak cedar (n = 1,514), dll digunakan sebagai perendaman.Untuk setiap perendaman, sebuah lensa dihitung secara khusus, dan hanya dapat digunakan dengan perendaman ini.

Rumusnya menunjukkan bahwa batas resolusi mikroskop bergantung pada panjang gelombang cahaya dan bukaan numerik mikroskop. Semakin pendek panjang gelombang cahaya dan semakin besar bukaannya, semakin kecil Z, dan oleh karena itu, semakin besar batas resolusi mikroskop. Untuk cahaya putih (siang hari), panjang gelombang rata-rata dapat diambil sebagai λ = 0,55 µm. Indeks bias udara adalah n = 1.

Mikroskop mbs-1

MBS-1 adalah mikroskop stereoskopis yang memberikan gambar tiga dimensi langsung dari objek yang dilihat baik dalam cahaya yang ditransmisikan maupun dipantulkan.

Mikroskop terdiri dari 4 bagian utama:

- meja;

– tumpuan kaki tiga;

– kepala optik dengan mekanisme umpan kasar;

– pemasangan lensa mata.

Tahap mikroskop terdiri dari badan bundar, di dalamnya dipasang reflektor berputar dengan permukaan cermin dan matte. Untuk bekerja dengan cahaya matahari, rumahan memiliki lubang yang dapat dilalui cahaya dengan bebas. Pada bagian belakang badan meja terdapat lubang berulir untuk bekerja dengan iluminator listrik. Kepala optik terpasang ke dudukan mikroskop - bagian utama perangkat, tempat komponen optik terpenting dipasang.

Rumah kepala optik berisi drum dengan sistem Galilea terpasang di dalamnya. Putar sumbu drum menggunakan pegangan dengan angka tercetak 0,6; 1; 2; 4; 7 mencapai perbesaran lensa yang berbeda. Setiap posisi drum dipasang dengan jelas menggunakan penjepit pegas khusus. Dengan menggunakan pegangan pada tripod mikroskop, yang menggerakkan kepala optik, gambar paling tajam dari objek tersebut dapat diperoleh.

Seluruh kepala optik dapat dipindahkan pada batang tripod dan diamankan di posisi apa pun dengan sekrup. Perlengkapan lensa okuler terdiri dari pemandu berupa potongan persegi panjang dengan dua lubang untuk bingkai lensa.

Saat mengamati melalui lensa mata, Anda perlu memutar tabung lensa mata untuk menemukan posisi di mana kedua gambar digabungkan menjadi satu. Selanjutnya, fokuskan mikroskop pada objek yang diteliti, dan putar reflektor untuk mencapai penerangan seragam pada bidang tersebut. Saat mengatur iluminasi, soket dengan lampu digerakkan ke arah kolektor hingga diperoleh iluminasi terbaik dari objek yang diamati.

Pada dasarnya MBS-1 ditujukan untuk pekerjaan persiapan, pengamatan objek, serta untuk melakukan pengukuran linier atau pengukuran luas bagian-bagian persiapan. Diagram optik mikroskop ditunjukkan pada Gambar. 4.

Diagram optik mikroskop MBS-1 ditunjukkan pada Gambar. 4.

Saat bekerja dalam cahaya yang ditransmisikan, sumber cahaya (1) dengan bantuan reflektor (2) dan kolektor (3) menerangi spesimen transparan yang dipasang pada panggung (4).

Digunakan sistem khusus sebagai lensa, terdiri dari 4 lensa (5) dengan panjang fokus = 80 mm dan 2 pasang sistem Galilea (6) dan (7), di belakangnya terdapat lensa (8) dengan panjang fokus. 160 mm, yang membentuk bayangan suatu benda pada bidang fokus lensa okuler.

Perbesaran linier total sistem optik yang terdiri dari lensa (5), sistem Galilea (6) dan (7) serta lensa (8) adalah: 0,6; 1; 2; 4; 7. Di belakang lensa (8) terdapat 2 buah prisma Schmidt (9), yang memungkinkan tabung lensa okuler diputar sesuai arah mata pengamat tanpa memutar bayangan lensa.

1 – sumber cahaya;

2 – reflektor;

3 – kolektor;

4 – tabel objek;

5 – lensa (F = 80 mm);

6, 7 – sistem Galilea;

8 – lensa (F = 160 mm);

9 – prisma Schmidt;

10 – lensa mata.

Beras. 4. Desain optik mikroskop MBS-1

Mikroskop MBS-1 dilengkapi dengan 3 pasang lensa okuler (10) dengan perbesaran 6; 8; 12,5 dan satu mikrometer lensa okuler perbesaran 8x dengan reticle. Mereka memungkinkan Anda memvariasikan perbesaran keseluruhan mikroskop dari 3,6 hingga 88 (Tabel 1). Perbesaran total mikroskop merupakan perkalian perbesaran lensa okuler dan perbesaran lensa objektif.

Tabel 1.

Karakteristik optik mikroskop MBS-1

Meningkatkan

Pembesaran lensa

Resolusi mata terbatas. Resolusi dicirikan jarak terselesaikan, yaitu. jarak minimum antara dua partikel yang bertetangga di mana mereka masih terlihat secara terpisah. Jarak terselesaikan dengan mata telanjang adalah sekitar 0,2 mm. Mikroskop digunakan untuk meningkatkan resolusi. Untuk mempelajari struktur logam, mikroskop pertama kali digunakan pada tahun 1831 oleh P.P. Anosov, yang mempelajari baja damask, dan kemudian, pada tahun 1863, oleh orang Inggris G. Sorby, yang mempelajari besi meteorit.

Jarak yang diizinkan ditentukan oleh hubungan:

Di mana aku- panjang gelombang cahaya yang datang dari objek penelitian ke lensa, N– indeks bias medium yang terletak di antara benda dan lensa, dan A- bukaan sudut sama dengan setengah sudut bukaan berkas sinar yang masuk ke lensa yang menghasilkan bayangan. Karakteristik penting lensa ini terukir pada bingkai lensa.

Lensa yang baik memiliki sudut aperture maksimum a = 70° dan sina » 0,94. Kebanyakan penelitian menggunakan objektif kering yang beroperasi di udara (n = 1). Untuk mengurangi jarak yang ditempuh, digunakan lensa imersi. Ruang antara benda dan lensa diisi dengan cairan transparan (perendaman) dengan indeks bias yang tinggi. Biasanya setetes minyak cedar digunakan (n = 1,51).

Jika kita mengambil l = 0,55 µm untuk cahaya putih tampak, maka jarak penyelesaian minimum mikroskop cahaya adalah:

Jadi, daya pisah mikroskop cahaya dibatasi oleh panjang gelombang cahaya. Lensa memperbesar bayangan perantara suatu benda, yang dilihat melalui lensa mata, seolah-olah melalui kaca pembesar. Lensa mata memperbesar bayangan perantara suatu benda dan tidak dapat memperbesar resolusi mikroskop.

Perbesaran total mikroskop sama dengan hasil kali perbesaran lensa objektif dan lensa okuler. Mikroskop metalografi digunakan untuk mempelajari struktur logam dengan perbesaran 20 hingga 2000 kali.

Pemula membuat kesalahan umum dengan mencoba melihat struktur secara langsung pada perbesaran tinggi. Perlu diingat bahwa semakin besar perbesaran suatu benda maka semakin kecil luas bidang pandang mikroskop. Oleh karena itu, disarankan untuk memulai penelitian dengan menggunakan lensa lemah untuk menilai terlebih dahulu sifat umum struktur logam pada area yang luas. Jika Anda memulai mikroanalisis menggunakan lensa yang kuat, banyak fitur penting dari struktur logam mungkin tidak diperhatikan.

Setelah melihat struktur secara umum pada perbesaran mikroskop yang rendah, lensa dengan resolusi seperti itu dipilih untuk melihat semua detail terkecil yang diperlukan dari struktur.

Lensa okuler dipilih sedemikian rupa sehingga detail struktur yang diperbesar oleh lensa terlihat jelas. Jika perbesaran lensa okuler tidak mencukupi, detail halus dari gambar perantara yang dihasilkan oleh lensa tidak akan terlihat melalui mikroskop, sehingga resolusi penuh lensa tidak akan digunakan. Jika perbesaran lensa okuler terlalu tinggi, detail struktural baru tidak akan terlihat, pada saat yang sama, kontur detail yang sudah teridentifikasi akan kabur, dan bidang pandang akan menjadi lebih sempit. Perbesaran lensa mata itu sendiri terukir pada bingkainya (misalnya, 7 x).



Kami merekomendasikan membaca