Zväčšovacia sila mikroskopu. Kvalita obrazu. Rozlíšenie zariadenia

Cieľ práce. Oboznámenie sa s prístrojom mikroskopu a stanovenie jeho rozlišovacej schopnosti.

Zariadenia a príslušenstvo: Mikroskop, kovová doštička s malým otvorom, osvetľovacie zrkadlo, pravítko so stupnicou.

Úvod

Mikroskop pozostáva zo šošovky a okuláru, čo sú komplexné šošovkové systémy. Dráha lúčov v mikroskope je znázornená na obr. 1, na ktorom sú objektív a okulár reprezentované jednoduchými šošovkami.

Predmetný objekt AB je umiestnený trochu ďalej od hlavného ohniska šošovky F o. Šošovka mikroskopu poskytuje skutočný, inverzný a zväčšený obraz objektu (AB na obr. 1), ktorý vzniká za dvojnásobnou ohniskovou vzdialenosťou šošovky. Zväčšený obraz sa okulárom zobrazuje ako lupa. Obraz objektu pozorovaný cez okulár je virtuálny, inverzný a zväčšený.

Vzdialenosť medzi zadným ohniskom šošovky a predným ohniskom okuláru sa nazýva optická vzdialenosť systému alebo dĺžka optickej trubice mikroskop .

Zväčšenie mikroskopu možno určiť podľa zväčšenia objektívu a okuláru:

N = N o  N o = ───── (1)

f o  f dobre

kde N približne a N približne sú zväčšenia šošovky a okuláru; D - vzdialenosť najlepšieho videnia pre normálne oko (~25 cm);  je optická dĺžka tubusu mikroskopu; f o a f OK- hlavné ohniskové vzdialenosti objektívu a okuláru.

Pri analýze vzorca (1) môžeme dospieť k záveru, že mikroskopy s veľkým zväčšením môžu skúmať akékoľvek malé predmety. Užitočné zväčšenie, ktoré poskytuje mikroskop, je však obmedzené difrakčnými javmi, ktoré sa prejavia pri pozorovaní objektov, ktorých rozmery sú porovnateľné s vlnovou dĺžkou svetla.

Limit rozlíšenia mikroskop je najmenšia vzdialenosť medzi bodmi, ktorých obraz sa získava samostatne v mikroskope.

Podľa Abbeho teórie je hranica rozlíšenia mikroskopu určená výrazom:

d = ───── (2)

kde d je lineárna veľkosť predmetného objektu;  - vlnová dĺžka použitého svetla; n je index lomu média medzi objektom a šošovkou;  je uhol medzi hlavnou optickou osou mikroskopu a hraničným lúčom (obr. 2).

IN nazýva sa množstvo A = nsin numerická clona objektívu a prevrátená hodnota d je rozlíšenie mikroskopu . Z výrazu (2) vyplýva, že rozlišovacia schopnosť mikroskopu závisí od numerickej apertúry šošovky a vlnovej dĺžky svetla, ktoré osvetľuje predmetný objekt.

Ak je objekt vo vzduchu (n=1), potom v mikroskope je možné rozlíšiť body objektu, ktorých vzdialenosť je:

d = ─────

Pre mikroskopické objekty je uhol  blízky 90 stupňom, potom sin  1, čo znamená, že objekty nachádzajúce sa vo vzdialenosti ~ 0,61 od seba možno skúmať v mikroskope. V prípade vizuálnych pozorovaní (maximálna citlivosť oka pripadá na zelenú oblasť viditeľného spektra   550 nm) možno v mikroskope vidieť objekty nachádzajúce sa vo vzdialenosti ~300 nm.

Ako vyplýva z výrazu (2), rozlišovaciu schopnosť mikroskopu možno zvýšiť znížením vlnovej dĺžky svetla, ktoré osvetľuje predmet. Pri fotografovaní objektov v ultrafialovom svetle (~ 250-300 nm) sa teda rozlíšenie mikroskopu môže zdvojnásobiť.

Položka h umiestnené o niečo ďalej ako predné ohnisko objektívu. Objektív dáva skutočný, inverzný, rozšírený obrázok H’ , ktorý sa nachádza medzi predným ohniskom okulára a optickým stredom okulára. Tento medziobraz sa pozerá cez okulár ako cez lupu. Okulár dáva imaginárny, priamy, zväčšený obrázok H, ktorý sa nachádza vo vzdialenosti najlepšieho videnia S ≈ 25 cm od optického stredu oka.

Pozeráme sa na tento obraz očami a vytvorí sa na jeho sietnici. skutočný, inverzný, redukovaný obrázok.

Zväčšenie mikroskopu– pomer rozmerov virtuálneho obrazu k rozmerom objektu pozorovaného cez mikroskop:
. Vynásobte čitateľa a menovateľa veľkosťou medziobrazu H’ :
. Zväčšenie mikroskopu sa teda rovná súčinu zväčšenia objektívu a zväčšenia okuláru. Zväčšenie objektívu možno vyjadriť pomocou charakteristík mikroskopu pomocou podobnosti pravouhlých trojuholníkov
, Kde L  optické dĺžka trubice: vzdialenosť medzi zadným ohniskom šošovky a predným ohniskom okuláru (predpokladáme, že L >> F o). Zväčšenie okuláru
. Preto je zväčšenie mikroskopu:
.

4. Rozlíšenie a limit rozlíšenia mikroskopu. Difrakčné javy v mikroskope, pojem Abbeho teórie.

Limit rozlíšenia mikroskopuz - je to najmenšia vzdialenosť medzi dvoma bodmi objektu pozorovaného mikroskopom, keď sú tieto body ešte vnímané oddelene. Hranica rozlíšenia bežného biologického mikroskopu leží v rozmedzí 3-4 mikrónov. Rozhodnutie mikroskop je schopnosť poskytnúť samostatný obraz dvoch blízko umiestnených bodov skúmaného objektu, to znamená, že ide o prevrátenú hodnotu limitu rozlíšenia.

Difrakcia svetla obmedzuje schopnosť rozlíšiť detaily objektov, keď sú pozorované cez mikroskop. Keďže svetlo sa nešíri priamočiaro, ale ohýba sa okolo prekážok (v tomto prípade predmetných predmetov), obrázky malých detailov predmetov sú rozmazané.

navrhol E. Abbe difrakčná teória rozlíšenia mikroskopu. Nech je objekt, ktorý chceme mikroskopom skúmať, difrakčná mriežka s bodkou d. Potom minimálny detail objektu, ktorý musíme rozlíšiť, bude presne mriežková perióda. Na mriežke dochádza k difrakcii svetla, ale priemer objektívu mikroskopu je obmedzený a pri veľkých difrakčných uhloch sa do objektívu nedostane všetko svetlo prechádzajúce cez mriežku. V skutočnosti sa svetlo z objektu šíri smerom k šošovke v určitom kuželi. Výsledný obraz sa približuje originálu, čím viac maxima sa podieľa na tvorbe obrazu. Svetlo z objektu sa šíri do šošovky z kondenzora vo forme kužeľa, ktorý sa vyznačuje uhlová clona u- uhol, pod ktorým je šošovka viditeľná zo stredu uvažovaného objektu, to znamená uhol medzi vonkajšími lúčmi kužeľového svetelného lúča vstupujúceho do optického systému. Podľa E. Abbeho na získanie obrazu mriežky, aj tej najrozmazanejšej, musia do šošovky vstúpiť lúče ľubovoľných dvoch rádov difrakčného obrazca, napr. lúče tvoriace centrálne a aspoň prvé difrakčné maximum. Pripomeňme, že pre šikmý dopad lúčov na difrakčnú mriežku má jej hlavný vzorec tvar: . Ak svetlo prichádza pod uhlom a difrakčný uhol pre prvé maximum rovná sa
, potom vzorec nadobudne tvar
. Hranica rozlíšenia mikroskopu by sa teda mala brať ako konštanta difrakčnej mriežky
, kde  je vlnová dĺžka svetla.

Ako je možné vidieť zo vzorca, jedným zo spôsobov, ako znížiť limit rozlíšenia mikroskopu, je použiť svetlo s kratšou vlnovou dĺžkou. V tomto ohľade sa používa ultrafialový mikroskop, v ktorom sa mikroobjekty skúmajú v ultrafialových lúčoch. Základná optická konštrukcia takéhoto mikroskopu je podobná ako pri bežnom mikroskope. Hlavným rozdielom je použitie optických zariadení, ktoré sú priehľadné pre UV svetlo a funkcie registrácie obrazu. Keďže oko nevníma ultrafialové žiarenie (navyše páli oči, t.j. je nebezpečné pre zrakový orgán), používajú sa fotografické platne, fluorescenčné obrazovky alebo elektrooptické konvertory.

Ak špeciálne tekuté médium tzv ponorenie, potom sa limit rozlíšenia tiež zníži:
, Kde n- absolútny index lomu ponoru, A – číselná clona objektívu. Voda sa používa ako ponorenie ( n = 1,33), cédrový olej ( n= 1,515), monobrómnaftalén ( n = 1,66) atď. Pre každý typ imerzie sa vyrába špeciálna šošovka a možno ju použiť len s týmto typom imerzie.

Ďalším spôsobom, ako znížiť limit rozlíšenia mikroskopu, je zväčšiť uhol otvoru. Tento uhol závisí od veľkosti šošovky a vzdialenosti od objektu k šošovke. Vzdialenosť od objektu k šošovke sa však nedá ľubovoľne meniť, je pre každú šošovku konštantná a objekt nie je možné priblížiť. V moderných mikroskopoch dosahuje uhol otvoru 140 o (resp. u/2 = 70 o). S týmto uhlom sa získajú maximálne numerické apertúry a minimálne limity rozlíšenia.

Údaje sú uvedené pre šikmý dopad svetla na objekt a vlnovú dĺžku 555 nm, na ktorú je ľudské oko najcitlivejšie.

Pozor, okulár vôbec neovplyvňuje rozlíšenie mikroskopu, vytvára len zväčšený obraz šošovky.

kde l je vzdialenosť medzi horným ohniskom šošovky a spodným ohniskom okuláru; L – vzdialenosť najlepšieho videnia; rovná 25 cm; F 1 a F 2 – ohniskové vzdialenosti objektívu a okuláru.

Keď poznáte ohniskové vzdialenosti F 1, F 2 a vzdialenosť medzi nimi l, môžete zistiť zväčšenie mikroskopu.

V praxi sa mikroskopy so zväčšením väčším ako 1500–2000 nepoužívajú, pretože Schopnosť rozlíšiť malé detaily objektu v mikroskope je obmedzená. Toto obmedzenie je spôsobené vplyvom difrakcie svetla v prechádzajúcej štruktúre daného objektu. V tomto ohľade sa používajú pojmy limit rozlišovacej schopnosti a rozlišovacia schopnosť mikroskopu.

Stanovenie hranice rozlíšenia mikroskopu

Limit rozlíšenia mikroskopu je najmenšia vzdialenosť medzi dvoma bodmi na objekte, pri ktorej sú viditeľné oddelene v mikroskope. Táto vzdialenosť je určená vzorcom:

kde λ je vlnová dĺžka svetla; n je index lomu média medzi šošovkou a objektom; u je uhol otvoru šošovky rovný uhlu medzi vonkajšími lúčmi kužeľového svetelného lúča vstupujúceho do šošovky mikroskopu.

V skutočnosti sa svetlo z objektu šíri do šošovky mikroskopu v určitom kuželi (obr. 2a), ktorý je charakterizovaný uhlovou apertúrou - uhlom u medzi vonkajšími lúčmi kužeľového svetelného lúča vstupujúceho do optickej sústavy. V limitujúcom prípade budú podľa Abbeho vonkajšie lúče kužeľového svetelného lúča lúče zodpovedajúce centrálnemu (nulovému) a 1. hlavnému maximu (obr. 2 b).

Množstvo 2nsin U sa nazýva numerická apertúra mikroskopu. Numerickú apertúru je možné zväčšiť pomocou špeciálneho tekutého média - ponorenie– v priestore medzi objektívom a krycím sklom mikroskopu.

V imerzných systémoch sa v porovnaní s identickými „suchými“ systémami získa väčší uhol otvoru (obr. 3).

Obr.3. Schéma ponorného systému

Ako imerzia sa používa voda (n = 1,33), cédrový olej (n = 1,514) atď.. Pre každé ponorenie je špeciálne vypočítaná šošovka, ktorú možno použiť len s touto imerziou.

Vzorec ukazuje, že limit rozlíšenia mikroskopu závisí od vlnovej dĺžky svetla a numerickej apertúry mikroskopu. Čím kratšia je vlnová dĺžka svetla a čím väčšia je apertúra, tým menšie je Z, a tým väčšia je hranica rozlíšenia mikroskopu. Pre biele (denné) svetlo možno priemernú vlnovú dĺžku brať ako λ = 0,55 µm. Index lomu vzduchu je n = 1.

Mikroskop mbs-1

MBS-1 je stereoskopický mikroskop, ktorý poskytuje priamy trojrozmerný obraz uvažovaného objektu v prechádzajúcom aj odrazenom svetle.

Mikroskop pozostáva zo 4 hlavných častí:

- stôl;

– statív;

– optická hlava s mechanizmom hrubého posuvu;

- nadstavec na okulár.

Mikroskopický stolík pozostáva z okrúhleho telesa, vo vnútri ktorého je namontovaný otočný reflektor so zrkadlovým a matným povrchom. Pre prácu s denným svetlom má puzdro výrez, cez ktorý svetlo voľne prechádza. Na zadnej strane tela stola je závitový otvor pre prácu s elektrickým iluminátorom. Na stojane mikroskopu - hlavnej časti prístroja je pripevnená optická hlavica, do ktorej sa montujú najdôležitejšie optické komponenty.

Puzdro optickej hlavy obsahuje bubon s nainštalovanými Galileovými systémami. Otočte os bubna pomocou rukovätí s vytlačenými číslami 0,6; 1; 2; 4; 7 dosahujú rôzne zväčšenia objektívu. Každá poloha bubna je jasne fixovaná špeciálnou pružinovou svorkou. Pomocou rukoväte na statíve mikroskopu, ktorá pohybuje optickou hlavou, sa dosiahne najostrejší obraz predmetného objektu.

Celú optickú hlavu je možné posúvať na tyči statívu a zaistiť v ľubovoľnej polohe skrutkou. Okulárový nástavec pozostáva z vodidla, čo je obdĺžnikový kus s dvoma otvormi pre rámy objektívov.

Pri pozorovaní cez okuláre musíte okulárové tubusy otáčať, aby ste našli polohu, v ktorej sa dva obrazy spoja do jedného. Potom zamerajte mikroskop na skúmaný objekt a otočte reflektor, aby ste dosiahli rovnomerné osvetlenie poľa. Pri nastavovaní osvetlenia sa objímka so svietidlom pohybuje smerom ku kolektoru, kým sa nedosiahne najlepšie osvetlenie pozorovaného objektu.

V zásade je MBS-1 určený na preparačné práce, na pozorovanie objektov, ako aj na vykonávanie lineárnych meraní alebo meranie plôch rezov preparátu. Optická schéma mikroskopu je znázornená na obr. 4.

Optická schéma mikroskopu MBS-1 je znázornená na obr. 4.

Pri práci v prechádzajúcom svetle osvetľuje svetelný zdroj (1) pomocou reflektora (2) a kolektora (3) priehľadný preparát namontovaný na stolíku (4).

Ako šošovka bol použitý špeciálny systém pozostávajúci zo 4 šošoviek (5) s ohniskovou vzdialenosťou = 80 mm a 2 párov Galileových systémov (6) a (7), za ktorými sú šošovky (8) s ohniskovou vzdialenosťou 160 mm, ktoré tvoria obraz objektu v ohniskových rovinách okulárov.

Celkové lineárne zväčšenie optického systému pozostávajúceho zo šošovky (5), Galileových systémov (6) a (7) a šošoviek (8) je: 0,6; 1; 2; 4; 7. Za šošovkami (8) sa nachádzajú 2 Schmidtove hranoly (9), ktoré umožňujú otáčať tubusy okuláru podľa oka pozorovateľa bez otáčania obrazu šošovky.

1 – zdroj svetla;

2 – reflektor;

3 – zberač;

4 – tabuľka objektov;

5 – šošovka (F = 80 mm);

6, 7 – Galileove systémy;

8 – šošovky (F = 160 mm);

9 – Schmidtove hranoly;

10 – okuláre.

Ryža. 4. Optická konštrukcia mikroskopu MBS-1

Mikroskop MBS-1 sa dodáva s 3 pármi okulárov (10) so zväčšením 6; 8; 12,5 a jeden okulárový mikrometer s 8-násobným zväčšením so zámerným krížom. Umožňujú meniť celkové zväčšenie mikroskopu od 3,6 do 88 (tabuľka 1). Celkové zväčšenie mikroskopu je súčinom zväčšenia okuláru a zväčšenia objektívu.

Stôl 1.

Optické charakteristiky mikroskopu MBS-1

Zvýšiť	Zväčšenie objektívu
Zvýšiť

Rozlíšenie oka je obmedzené. Rozhodnutie charakterizovaný vyriešená vzdialenosť, t.j. minimálna vzdialenosť medzi dvoma susednými časticami, pri ktorej sú ešte viditeľné oddelene. Rozlíšená vzdialenosť voľným okom je asi 0,2 mm. Na zvýšenie rozlíšenia sa používa mikroskop. Na štúdium štruktúry kovov mikroskop prvýkrát použil v roku 1831 P. P. Anosov, ktorý študoval damaškovú oceľ, a neskôr, v roku 1863, Angličan G. Sorby, ktorý študoval meteoritové železo.

Povolená vzdialenosť je určená vzťahom:

Kde l- vlnová dĺžka svetla prichádzajúceho z predmetu štúdia do šošovky, n– index lomu média umiestneného medzi objektom a šošovkou a a- uhlová apertúra rovnajúca sa polovici uhla otvorenia zväzku lúčov vstupujúcich do šošovky, ktorá vytvára obraz. Táto dôležitá charakteristika šošovky je vyrytá na ráme šošovky.

Dobré objektívy majú maximálny uhol otvorenia a = 70° a sina » 0,94. Väčšina štúdií používa suché objektívy fungujúce na vzduchu (n = 1). Na zníženie rozlíšenej vzdialenosti sa používajú imerzné šošovky. Priestor medzi objektom a šošovkou je vyplnený priehľadnou kvapalinou (ponor) s vysokým indexom lomu. Typicky sa používa kvapka cédrového oleja (n = 1,51).

Ak vezmeme l = 0,55 µm pre viditeľné biele svetlo, potom minimálna rozlišovacia vzdialenosť svetelného mikroskopu je:

Rozlišovacia schopnosť svetelného mikroskopu je teda obmedzená vlnovou dĺžkou svetla. Šošovka zväčšuje medziobraz objektu, ktorý sa pozerá cez okulár, ako cez lupu. Okulár zväčšuje medziobraz objektu a nedokáže zvýšiť rozlíšenie mikroskopu.

Celkové zväčšenie mikroskopu sa rovná súčinu zväčšenia objektívu a okuláru. Metalografické mikroskopy sa používajú na štúdium štruktúry kovov s 20- až 2000-násobným zväčšením.

Začiatočníci robia bežnú chybu, keď sa snažia okamžite zobraziť štruktúru pri veľkom zväčšení. Treba mať na pamäti, že čím väčšie je zväčšenie objektu, tým menšia je plocha viditeľná v zornom poli mikroskopu. Preto sa odporúča začať štúdiu s použitím slabej šošovky, aby sa najskôr posúdila všeobecná povaha kovovej štruktúry na veľkej ploche. Ak začnete mikroanalýzu pomocou silnej šošovky, mnohé dôležité vlastnosti kovovej štruktúry si možno nevšimnete.

Po celkovom pohľade na štruktúru pri malých zväčšeniach mikroskopu sa vyberie šošovka s takým rozlíšením, aby bolo možné vidieť všetky potrebné najmenšie detaily štruktúry.

Okulár je zvolený tak, aby boli jasne viditeľné detaily štruktúry, zväčšené šošovkou. Ak zväčšenie okuláru nie je dostatočné, jemné detaily medziobrazu vytvoreného šošovkou nebudú cez mikroskop vidieť, a teda nebude využité plné rozlíšenie šošovky. Pri príliš veľkom zväčšení okuláru sa neodhalia nové štrukturálne detaily, zároveň budú rozmazané kontúry už identifikovaných detailov a zorné pole sa zúži. Vlastné zväčšenie okuláru je vyryté na jeho ráme (napríklad 7 x).