Potere d'ingrandimento del microscopio. Qualità dell'immagine. Risoluzione del dispositivo

Obiettivo del lavoro. Familiarizzazione con il dispositivo di un microscopio e determinazione della sua risoluzione.

Dispositivi e accessori: microscopio, piastra metallica con piccolo foro, specchio luminoso, righello con scala.

introduzione

Un microscopio è costituito da un obiettivo e un oculare, che sono sistemi di lenti complessi. Il percorso dei raggi al microscopio è mostrato in Fig. 1, in cui l'obiettivo e l'oculare sono rappresentati da singole lenti.

L'oggetto in questione AB è posizionato leggermente più lontano dal fuoco principale dell'obiettivo F Di. La lente del microscopio fornisce un'immagine reale, invertita e ingrandita dell'oggetto (AB in Fig. 1), che si forma dietro la doppia lunghezza focale della lente. L'immagine ingrandita viene vista dall'oculare come una lente d'ingrandimento. L'immagine di un oggetto visto attraverso l'oculare è virtuale, invertita e ingrandita.

Viene chiamata la distanza tra il fuoco posteriore dell'obiettivo e il fuoco anteriore dell'oculare spaziatura ottica del sistema O lunghezza del tubo ottico microscopio .

L'ingrandimento di un microscopio può essere determinato dall'ingrandimento dell'obiettivo e dell'oculare:

N = N circa  N circa = ───── (1)

f circa  f ok

dove N circa e N circa sono rispettivamente l'ingrandimento della lente e dell'oculare; D - distanza della migliore visione per un occhio normale (~25 cm);  è la lunghezza ottica del tubo del microscopio; F Di e f OK- lunghezze focali principali dell'obiettivo e dell'oculare.

Analizzando la formula (1), possiamo concludere che i microscopi ad alto ingrandimento possono esaminare qualsiasi oggetto di piccole dimensioni. Tuttavia, l'ingrandimento utile fornito da un microscopio è limitato dai fenomeni di diffrazione, che diventano evidenti quando si osservano oggetti le cui dimensioni sono paragonabili alla lunghezza d'onda della luce.

Limite di risoluzione il microscopio è la distanza più piccola tra i punti, la cui immagine è ottenuta separatamente al microscopio.

Secondo la teoria di Abbe il limite di risoluzione di un microscopio è determinato dall'espressione:

d = ───── (2)

dove d è la dimensione lineare dell'oggetto in questione;  - lunghezza d'onda della luce utilizzata; n è l'indice di rifrazione del mezzo tra l'oggetto e la lente;  è l'angolo tra l'asse ottico principale del microscopio e il raggio limite (Fig. 2).

IN si chiama la quantità A = nsin apertura numerica dell'obiettivo , e il reciproco di d è risoluzione del microscopio . Dall'espressione (2) segue che la risoluzione del microscopio dipende dall'apertura numerica della lente e dalla lunghezza d'onda della luce che illumina l'oggetto in questione.

Se l'oggetto è nell'aria (n=1), allora al microscopio è possibile distinguere i punti dell'oggetto, la cui distanza è:

d = ─────

Per gli oggetti microscopici, l'angolo  è vicino a 90 gradi, quindi sin  1, il che significa che gli oggetti situati a una distanza di ~ 0,61 l'uno dall'altro possono essere esaminati al microscopio. Nelle osservazioni visive (la sensibilità massima dell'occhio rientra nella regione verde dello spettro visibile   550 nm), al microscopio è possibile vedere oggetti che si trovano a una distanza di ~300 nm.

Come segue dall'espressione (2), la risoluzione di un microscopio può essere aumentata riducendo la lunghezza d'onda della luce che illumina l'oggetto. Pertanto, quando si fotografano oggetti alla luce ultravioletta (~ 250-300 nm), la risoluzione del microscopio può essere raddoppiata.

Articolo H posizionato leggermente più lontano del fuoco anteriore dell'obiettivo. L'obiettivo dà reale, inverso, aumentato Immagine H’ , situato tra il fuoco anteriore dell'oculare e il centro ottico dell'oculare. Questa immagine intermedia viene vista attraverso l'oculare come attraverso una lente d'ingrandimento. L'oculare dà immaginario, diretto, ingigantito Immagine H, che si trova alla distanza di visione migliore S ≈ 25 cm dal centro ottico dell'occhio.

Guardiamo questa immagine con i nostri occhi e si forma sulla sua retina. reale, inverso, ridotto Immagine.

Ingrandimento del microscopio– il rapporto tra le dimensioni dell'immagine virtuale e le dimensioni dell'oggetto visto al microscopio:
. Moltiplica il numeratore e il denominatore per la dimensione dell'immagine intermedia H’ :
. Pertanto, l'ingrandimento del microscopio è uguale al prodotto dell'ingrandimento dell'obiettivo e dell'ingrandimento dell'oculare. Ingrandimento dell'obiettivo può essere espresso in termini di caratteristiche del microscopio utilizzando la somiglianza dei triangoli rettangoli
, Dove l  ottico lunghezza del tubo: la distanza tra il fuoco posteriore dell'obiettivo e il fuoco anteriore dell'oculare (assumiamo che l >> F Di). Ingrandimento dell'oculare
. Pertanto l’ingrandimento del microscopio è:
.

4. Risoluzione e limite di risoluzione del microscopio. Fenomeni di diffrazione al microscopio, il concetto della teoria di Abbe.

Limite di risoluzione del microscopioz - questa è la distanza più piccola tra due punti di un oggetto visto al microscopio, quando questi punti sono ancora percepiti separatamente. Il limite di risoluzione di un microscopio biologico convenzionale è compreso tra 3 e 4 micron. Risoluzione il microscopio è la capacità di fornire un'immagine separata di due punti ravvicinati dell'oggetto in esame, ovvero questo è il reciproco del limite di risoluzione.

La diffrazione della luce pone un limite alla capacità di distinguere i dettagli degli oggetti quando vengono osservati al microscopio. Poiché la luce non si propaga rettilinea, ma si piega attorno agli ostacoli (in questo caso gli oggetti in questione), le immagini dei piccoli dettagli degli oggetti risultano sfocate.

suggerì E. Abbe teoria della diffrazione della risoluzione del microscopio. Sia l'oggetto che vogliamo esaminare al microscopio un reticolo di diffrazione con un punto D. Allora il dettaglio minimo dell'oggetto che dovremo distinguere sarà proprio il periodo reticolare. La diffrazione della luce avviene sul reticolo, ma il diametro dell'obiettivo del microscopio è limitato e, ad angoli di diffrazione ampi, non tutta la luce che passa attraverso il reticolo entra nell'obiettivo. In realtà, la luce proveniente da un oggetto si propaga verso la lente in un determinato cono. L'immagine risultante è più vicina all'originale quanto più massimi sono coinvolti nella formazione dell'immagine. La luce proveniente da un oggetto si propaga alla lente da un condensatore a forma di cono, caratterizzato da apertura angolare tu- l'angolo al quale la lente è visibile dal centro dell'oggetto in esame, cioè l'angolo tra i raggi esterni del fascio luminoso conico che entra nel sistema ottico. Secondo E. Abbe, per ottenere un'immagine di un reticolo, anche la più sfocata, devono entrare nella lente raggi di due ordini qualsiasi della figura di diffrazione, ad esempio raggi che formano il massimo centrale e almeno il primo di diffrazione. Ricordiamo che per l'incidenza obliqua dei raggi su un reticolo di diffrazione, la sua formula principale ha la forma: . Se la luce arriva ad angolo e l'angolo di diffrazione per primo massimo equivale
, allora la formula assume la forma
. Il limite di risoluzione del microscopio dovrebbe quindi essere preso come costante del reticolo di diffrazione
, dove  è la lunghezza d'onda della luce.

Come si può vedere dalla formula, un modo per ridurre il limite di risoluzione di un microscopio è utilizzare la luce con una lunghezza d'onda più corta. A questo proposito, viene utilizzato un microscopio ultravioletto, in cui i microoggetti vengono esaminati ai raggi ultravioletti. Il design ottico di base di un microscopio di questo tipo è simile a quello di un microscopio convenzionale. La differenza principale è l'uso di dispositivi ottici trasparenti alla luce UV e le funzionalità di registrazione delle immagini. Poiché l'occhio non percepisce la radiazione ultravioletta (inoltre brucia gli occhi, cioè è pericolosa per l'organo della vista), vengono utilizzate lastre fotografiche, schermi fluorescenti o convertitori elettro-ottici.

Se viene chiamato un mezzo liquido speciale immersione, allora diminuisce anche il limite di risoluzione:
, Dove N– indice di rifrazione assoluto di immersione, UN – apertura numerica dell'obiettivo. L'acqua viene utilizzata come immersione ( N = 1.33), olio di cedro ( N= 1,515), monobromonaftalene ( N = 1.66), ecc. Per ogni tipo di immersione viene realizzata una lente speciale, utilizzabile solo con questo tipo di immersione.

Un altro modo per ridurre il limite di risoluzione di un microscopio è aumentare l'angolo di apertura. Questo angolo dipende dalle dimensioni dell'obiettivo e dalla distanza dal soggetto all'obiettivo. Tuttavia, la distanza tra l'oggetto e la lente non può essere modificata arbitrariamente; è costante per ciascuna lente e l'oggetto non può essere avvicinato. Nei microscopi moderni, l'angolo di apertura raggiunge 140 o (rispettivamente, tu/2 = 70°). Con questo angolo si ottengono aperture numeriche massime e limiti minimi di risoluzione.

I dati si riferiscono ad un'incidenza obliqua della luce su un oggetto e ad una lunghezza d'onda di 555 nm, alla quale l'occhio umano è più sensibile.

Tieni presente che l'oculare non influisce affatto sulla risoluzione del microscopio, crea solo un'immagine ingrandita dell'obiettivo.

dove l è la distanza tra il fuoco superiore della lente e il fuoco inferiore dell'oculare; L – distanza di visione migliore; pari a 25 cm; F 1 e F 2 – lunghezze focali dell'obiettivo e dell'oculare.

Conoscendo le lunghezze focali F 1, F 2 e la distanza tra loro l, puoi trovare l'ingrandimento del microscopio.

In pratica non vengono utilizzati microscopi con ingrandimenti superiori a 1500–2000, perché La capacità di distinguere piccoli dettagli di un oggetto al microscopio è limitata. Questa limitazione è causata dall'influenza della diffrazione della luce nella struttura passante di un dato oggetto. A questo proposito vengono utilizzati i concetti di limite di risoluzione e potere risolutivo di un microscopio.

Determinazione del limite della risoluzione del microscopio

Limite di risoluzione del microscopioè la distanza più piccola tra due punti su un oggetto alla quale sono visibili separatamente al microscopio. Questa distanza è determinata dalla formula:

dove λ è la lunghezza d'onda della luce; n è l'indice di rifrazione del mezzo tra la lente e l'oggetto; u è l'angolo di apertura della lente, uguale all'angolo tra i raggi esterni del fascio di luce conico che entra nella lente del microscopio.

In realtà, la luce proveniente da un oggetto si propaga alla lente del microscopio in un certo cono (Fig. 2 a), caratterizzato da un'apertura angolare - l'angolo u tra i raggi esterni di un raggio di luce conico che entra nel sistema ottico. Nel caso limite, secondo Abbe, i raggi esterni del fascio di luce conico saranno i raggi corrispondenti al massimo centrale (zero) e al primo massimo principale (Fig. 2 b).

La quantità 2nsin U è chiamata apertura numerica del microscopio. L'apertura numerica può essere aumentata utilizzando uno speciale mezzo liquido - immersione– nello spazio tra l'obiettivo e il vetro di copertura del microscopio.

Nei sistemi ad immersione, rispetto agli identici sistemi “a secco”, si ottiene un angolo di apertura maggiore (Fig. 3).

Fig.3. Schema del sistema di immersione

Come immersione vengono utilizzati acqua (n = 1,33), olio di cedro (n = 1,514), ecc.. Per ogni immersione viene calcolata appositamente una lente e può essere utilizzata solo con questa immersione.

La formula mostra che il limite di risoluzione del microscopio dipende dalla lunghezza d'onda della luce e dall'apertura numerica del microscopio. Quanto più corta è la lunghezza d'onda della luce e maggiore è l'apertura, tanto più piccola è la Z e, quindi, maggiore è il limite di risoluzione del microscopio. Per la luce bianca (luce diurna), la lunghezza d'onda media può essere considerata pari a λ = 0,55 µm. L'indice di rifrazione dell'aria è n = 1.

Microscopio mbs-1

MBS-1 è un microscopio stereoscopico che fornisce un'immagine tridimensionale diretta dell'oggetto in esame sia in luce trasmessa che riflessa.

Il microscopio è composto da 4 parti principali:

- tavolo;

– treppiede;

– testa ottica con meccanismo di avanzamento grossolano;

– attacco per oculare.

Il tavolino del microscopio è costituito da un corpo rotondo, all'interno del quale è montato un riflettore rotante con specchio e superfici opache. Per funzionare con la luce del giorno, l'alloggiamento ha un ritaglio attraverso il quale la luce passa liberamente. Sul lato posteriore del corpo del tavolo è presente un foro filettato per lavorare con un illuminatore elettrico. Una testa ottica è fissata al supporto del microscopio, la parte principale del dispositivo, in cui sono montati i componenti ottici più importanti.

L'alloggiamento della testa ottica contiene un tamburo su cui sono installati i sistemi galileiani. Ruotare l'asse del tamburo utilizzando le maniglie con i numeri stampati 0,6; 1; 2; 4; 7 raggiungono diversi ingrandimenti dell'obiettivo. Ogni posizione del tamburo è fissata chiaramente con uno speciale morsetto a molla. Utilizzando la maniglia del treppiede del microscopio, che muove la testa ottica, si ottiene l'immagine più nitida dell'oggetto in questione.

L'intera testa ottica può essere spostata sull'asta del treppiede e fissata in qualsiasi posizione con una vite. L'attacco dell'oculare è costituito da una guida, che è un pezzo rettangolare con due fori per le montature delle lenti.

Quando si osserva attraverso gli oculari, è necessario ruotare i tubi degli oculari per trovare una posizione in cui le due immagini si uniscono in una sola. Quindi, focalizzare il microscopio sull'oggetto da studiare e ruotare il riflettore per ottenere un'illuminazione uniforme del campo. Quando si regola l'illuminazione, il portalampada con la lampada si sposta verso il collettore fino ad ottenere la migliore illuminazione dell'oggetto osservato.

Fondamentalmente l'MBS-1 è destinato ai lavori di preparazione, all'osservazione di oggetti, nonché all'esecuzione di misurazioni lineari o alla misurazione delle aree delle sezioni della preparazione. Lo schema ottico del microscopio è mostrato in Fig. 4.

Lo schema ottico del microscopio MBS-1 è mostrato in Fig. 4.

Quando si lavora in luce trasmessa, la sorgente luminosa (1) con l'aiuto di un riflettore (2) e di un collettore (3) illumina un preparato trasparente montato sul tavolino (4).

Come lente è stato utilizzato uno speciale sistema, composto da 4 lenti (5) di focale = 80 mm e 2 coppie di sistemi galileiani (6) e (7), dietro ai quali si trovano lenti (8) di focale = 160 mm, che formano un'immagine dell'oggetto nei piani focali degli oculari.

L'ingrandimento lineare totale del sistema ottico, costituito da una lente (5), sistemi galileiani (6) e (7) e lenti (8) è: 0,6; 1; 2; 4; 7. Dietro le lenti (8) si trovano 2 prismi Schmidt (9), che permettono di ruotare i tubi oculari in base all'occhio dell'osservatore senza ruotare l'immagine della lente.

1 – sorgente luminosa;

2 – riflettore;

3 – collezionista;

4 – tabella oggetti;

5 – lente (F = 80 mm);

6, 7 – Sistemi galileiani;

8 – lenti (F = 160 mm);

9 – Prismi di Schmidt;

10 – oculari.

Riso. 4. Progettazione ottica del microscopio MBS-1

Il microscopio MBS-1 viene fornito con 3 paia di oculari (10) con un ingrandimento di 6; 8; 12,5 e un micrometro oculare con ingrandimento 8x con reticolo. Permettono di variare l'ingrandimento complessivo del microscopio da 3,6 a 88 (Tabella 1). L'ingrandimento totale di un microscopio è il prodotto dell'ingrandimento dell'oculare e dell'ingrandimento dell'obiettivo.

Tabella 1.

Caratteristiche ottiche del microscopio MBS-1

Aumento	Ingrandimento dell'obiettivo
Aumento

La risoluzione dell'occhio è limitata. Risoluzione caratterizzato distanza risolta, cioè. la distanza minima tra due particelle vicine alla quale sono ancora visibili separatamente. La distanza risolta ad occhio nudo è di circa 0,2 mm. Un microscopio viene utilizzato per aumentare la risoluzione. Per studiare la struttura dei metalli, il microscopio fu utilizzato per la prima volta nel 1831 da P.P. Anosov, che studiò l'acciaio damascato, e successivamente, nel 1863, dall'inglese G. Sorby, che studiò il ferro meteoritico.

La distanza consentita è determinata dalla relazione:

Dove l- lunghezza d'onda della luce proveniente dall'oggetto di studio all'obiettivo, N– indice di rifrazione del mezzo situato tra l'oggetto e la lente, e UN- apertura angolare pari alla metà dell'angolo di apertura del fascio di raggi entranti nella lente che produce l'immagine. Questa importante caratteristica della lente è incisa sulla montatura della lente.

I buoni obiettivi hanno un angolo di apertura massimo a = 70° e sina » 0,94. La maggior parte degli studi utilizza obiettivi asciutti operanti in aria (n = 1). Per ridurre la distanza risolta vengono utilizzate lenti ad immersione. Lo spazio tra l'oggetto e la lente è riempito con un liquido trasparente (immersione) ad alto indice di rifrazione. Tipicamente viene utilizzata una goccia di olio di cedro (n = 1,51).

Se prendiamo l = 0,55 µm per la luce bianca visibile, la distanza di risoluzione minima di un microscopio ottico è:

Pertanto, il potere risolutivo di un microscopio ottico è limitato dalla lunghezza d'onda della luce. La lente ingrandisce l'immagine intermedia dell'oggetto, che viene vista attraverso l'oculare, come attraverso una lente d'ingrandimento. L'oculare ingrandisce l'immagine intermedia dell'oggetto e non può aumentare la risoluzione del microscopio.

L'ingrandimento totale del microscopio è uguale al prodotto dell'ingrandimento dell'obiettivo e dell'oculare. I microscopi metallografici vengono utilizzati per studiare la struttura dei metalli con ingrandimenti da 20 a 2000 volte.

I principianti commettono un errore comune cercando di visualizzare immediatamente la struttura ad alto ingrandimento. Va tenuto presente che maggiore è l'ingrandimento di un oggetto, minore è l'area visibile nel campo visivo del microscopio. Pertanto, si consiglia di iniziare lo studio utilizzando una lente debole per valutare innanzitutto la natura generale della struttura metallica su una vasta area. Se si avvia la microanalisi utilizzando una lente potente, è possibile che molte caratteristiche importanti della struttura metallica non vengano notate.

Dopo una visione generale della struttura a basso ingrandimento del microscopio, viene selezionata una lente con tale risoluzione per vedere tutti i più piccoli dettagli necessari della struttura.

L'oculare è scelto in modo che i dettagli della struttura, ingranditi dalla lente, siano chiaramente visibili. Se l'ingrandimento dell'oculare non è sufficiente, i dettagli fini dell'immagine intermedia creata dall'obiettivo non verranno visti al microscopio e quindi non verrà utilizzata la piena risoluzione dell'obiettivo. Se l'ingrandimento dell'oculare è troppo elevato, i nuovi dettagli strutturali non verranno rivelati, allo stesso tempo i contorni dei dettagli già identificati saranno sfocati e il campo visivo si restringerà. Sulla cornice è inciso l'ingrandimento dell'oculare (ad esempio 7 x).