Mikroskobun büyütme gücü. Görüntü kalitesi. Cihaz çözünürlüğü

İşin amacı. Mikroskop cihazına aşinalık ve çözünürlüğünün belirlenmesi.

Cihazlar ve aksesuarlar: Mikroskop, küçük delikli metal plaka, aydınlatmalı ayna, terazili cetvel.

giriiş

Mikroskop, karmaşık mercek sistemleri olan mercek ve mercekten oluşur. Bir mikroskopta ışınların yolu Şekil 1'de gösterilmektedir; burada objektif ve göz merceği tek merceklerle temsil edilmektedir.

Söz konusu AB nesnesi, F merceğinin ana odağından biraz daha uzağa yerleştirilmiştir. hakkında. Mikroskop merceği, merceğin çift odak uzunluğunun arkasında oluşan nesnenin (Şekil 1'deki AB) gerçek, ters ve büyütülmüş görüntüsünü verir. Büyütülmüş görüntü mercek tarafından bir büyüteç olarak görülür. Mercek aracılığıyla bakılan bir nesnenin görüntüsü sanaldır, terstir ve büyütülmüştür.

Merceğin arka odağı ile göz merceğinin ön odağı arasındaki mesafeye denir sistemin optik aralığı veya optik tüp uzunluğu mikroskop .

Bir mikroskobun büyütülmesi, objektifin ve göz merceğinin büyütülmesiyle belirlenebilir:

N = N yaklaşık  N yaklaşık = ───── (1)

f yaklaşık  f tamam

burada N yaklaşık ve N yaklaşık sırasıyla merceğin ve göz merceğinin büyütülmesidir; D - normal bir göz için en iyi görme mesafesi (~25 cm);  mikroskop tüpünün optik uzunluğudur; F hakkında ve f TAMAM- merceğin ve göz merceğinin ana odak uzaklıkları.

Formül (1)'i analiz ederken, yüksek büyütme oranına sahip mikroskopların her türlü küçük nesneyi inceleyebileceği sonucuna varabiliriz. Bununla birlikte, mikroskop tarafından sağlanan faydalı büyütme, boyutları ışığın dalga boyuyla karşılaştırılabilir olan nesnelere bakıldığında farkedilebilen kırınım olgusu ile sınırlıdır.

Çözünürlük sınırı mikroskop, görüntüsü mikroskopta ayrı ayrı elde edilen noktalar arasındaki en küçük mesafedir.

Abbe'nin teorisine göre bir mikroskobun çözünürlük sınırı şu ifadeyle belirlenir:

d = ───── (2)

burada d, söz konusu nesnenin doğrusal boyutudur;  - kullanılan ışığın dalga boyu; n, nesne ile mercek arasındaki ortamın kırılma indisidir;  mikroskobun ana optik ekseni ile sınır ışın arasındaki açıdır (Şekil 2).

İÇİNDE A = nsin miktarına denir merceğin sayısal açıklığı ve d'nin tersi mikroskop çözünürlüğü . İfade (2)'den mikroskobun çözünürlüğünün merceğin sayısal açıklığına ve söz konusu nesneyi aydınlatan ışığın dalga boyuna bağlı olduğu sonucu çıkar.

Eğer nesne havadaysa (n=1), o zaman mikroskopta nesnenin aralarındaki mesafe şu şekilde olan noktalarını ayırt etmek mümkündür:

d = ─────

Mikroskobik nesneler için açı  90 dereceye yakındır, bu durumda sin  1 olur; bu, birbirinden ~ 0,61 uzaklıkta bulunan nesnelerin mikroskopta incelenebileceği anlamına gelir. Görsel gözlemlerde (gözün maksimum hassasiyeti görünür spektrumun   550 nm yeşil bölgesine düşer), ~300 nm mesafede bulunan nesneler mikroskopta görülebilir.

İfade (2)'den de anlaşılacağı gibi, cismi aydınlatan ışığın dalga boyu azaltılarak mikroskobun çözünürlüğü artırılabilir. Böylece nesnelerin ultraviyole ışıkta (~ 250-300 nm) fotoğrafı çekilirken mikroskobun çözünürlüğü iki katına çıkarılabilir.

Öğe H merceğin ön odağından biraz daha uzağa yerleştirilir. Lens verir gerçek, ters, artırılmış görüntü H’ , göz merceğinin ön odağı ile göz merceğinin optik merkezi arasında yer alır. Bu ara görüntü, sanki bir büyüteçten bakıyormuş gibi mercekten izlenir. Göz merceği verir hayali, doğrudan, büyütülmüş görüntü H, gözün optik merkezinden en iyi görüş S ≈ 25 cm uzaklıkta yer alır.

Bu görüntüye gözlerimizle bakıyoruz ve retinanın üzerinde oluşuyor. gerçek, ters, indirgenmiş görüntü.

Mikroskop Büyütme– sanal görüntünün boyutlarının mikroskopta görüntülenen nesnenin boyutlarına oranı:
. Pay ve paydayı ara görüntünün boyutuyla çarpın H’ :
. Böylece mikroskobun büyütülmesi, objektif büyütme ile göz merceğinin büyütülmesinin çarpımına eşittir. Mercek büyütme dik üçgenlerin benzerliği kullanılarak mikroskobun özellikleri cinsinden ifade edilebilir
, Nerede L  optik tüp uzunluğu: merceğin arka odağı ile göz merceğinin ön odağı arasındaki mesafe (varsayalım ki L >> F hakkında). Mercek büyütme
. Bu nedenle mikroskobun büyütülmesi:
.

4. Mikroskobun çözünürlüğü ve çözünürlük sınırı. Mikroskopta kırınım olayı, Abbe teorisinin kavramı.

Mikroskop çözünürlük sınırız - bu, mikroskopla görüntülenen bir nesnenin iki noktası arasındaki en küçük mesafedir; bu noktalar hâlâ ayrı ayrı algılanıyorsa. Geleneksel bir biyolojik mikroskobun çözünürlük sınırı 3-4 mikron aralığındadır. Çözünürlük mikroskop, incelenen nesnenin birbirine yakın iki noktasının ayrı bir görüntüsünü sağlama yeteneğidir, yani bu, çözünürlük sınırının tersidir.

Işığın kırınımı, mikroskopla gözlemlenen nesnelerin ayrıntılarını ayırt etme becerisine bir sınır getirir. Işık doğrusal olarak yayılmadığı ve engellerin (bu durumda söz konusu nesneler) etrafında büküldüğü için nesnelerin küçük ayrıntılarının görüntüleri bulanık çıkar.

E. Abbe önerdi mikroskop çözünürlüğünün kırınım teorisi. Mikroskopla incelemek istediğimiz nesne, periyodu olan bir kırınım ızgarası olsun D. O zaman nesnenin ayırt etmemiz gereken minimum detayı tam olarak kafes dönemi olacaktır. Izgara üzerinde ışık kırınımı meydana gelir, ancak mikroskop objektifinin çapı sınırlıdır ve büyük kırınım açılarında ızgaradan geçen ışığın tamamı objektife girmez. Gerçekte, bir nesneden gelen ışık merceğe doğru belirli bir koni içinde yayılır. Ortaya çıkan görüntü orijinaline ne kadar yakınsa, görüntünün oluşumunda o kadar fazla maksimum yer alır. Bir nesneden gelen ışık, koni şeklindeki bir yoğunlaştırıcıdan merceğe yayılır; bu durum şu şekilde karakterize edilir: açısal açıklık sen- merceğin söz konusu nesnenin merkezinden görülebildiği açı, yani optik sisteme giren konik ışık ışınının dış ışınları arasındaki açı. E. Abbe'ye göre, bir ızgara görüntüsü elde etmek için, en bulanık olanı bile, kırınım modelinin herhangi iki düzeyindeki ışınların, örneğin merkezi ve en azından birinci kırınım maksimumunu oluşturan ışınların merceğe girmesi gerekir. Bir kırınım ızgarası üzerindeki ışınların eğik gelişi için ana formülünün şu şekilde olduğunu hatırlayalım: . Işık belli bir açıyla geliyorsa ve kırınım açısı ilk maksimum eşittir
, formül şu şekli alır
. Mikroskobun çözünürlük limiti kırınım ızgarasının sabiti olarak alınmalı, o zaman
burada  ışığın dalga boyudur.

Formülden de görülebileceği gibi mikroskobun çözünürlük sınırını düşürmenin bir yolu da daha kısa dalga boyuna sahip ışık kullanmaktır. Bu bağlamda mikro nesnelerin ultraviyole ışınlarda incelendiği bir ultraviyole mikroskobu kullanılır. Böyle bir mikroskobun temel optik tasarımı geleneksel mikroskobunkine benzer. Temel fark, UV ışığına karşı şeffaf olan optik cihazların kullanılması ve görüntü kayıt özellikleridir. Göz, ultraviyole radyasyonu algılamadığından (ayrıca gözleri yakar, yani görme organı için tehlikelidir), fotoğraf plakaları, floresan ekranlar veya elektro-optik dönüştürücüler kullanılır.

Özel bir sıvı ortam denirse daldırma, bu durumda çözünürlük sınırı da azalır:
, Nerede N– daldırmanın mutlak kırılma indisi, A – mercek sayısal diyaframı. Su daldırma olarak kullanılır ( N = 1.33), sedir yağı ( N= 1,515), monobromonaftalen ( N = 1.66), vb. Her daldırma türü için özel bir mercek yapılır ve yalnızca bu daldırma türüyle kullanılabilir.

Mikroskobun çözünürlük sınırını azaltmanın bir başka yolu da açıklık açısını arttırmaktır. Bu açı merceğin boyutuna ve nesne ile merceğe olan mesafeye bağlıdır. Ancak nesnenin merceğe olan uzaklığı keyfi olarak değiştirilemez, her mercek için sabittir ve nesne yakınlaştırılamaz. Modern mikroskoplarda açıklık açısı 140 o'ye ulaşır (sırasıyla, sen/2 = 70°). Bu açı ile maksimum sayısal açıklıklar ve minimum çözünürlük limitleri elde edilir.

Veriler, ışığın bir nesne üzerine eğik gelişi ve insan gözünün en hassas olduğu 555 nm dalga boyu için verilmiştir.

Lütfen göz merceğinin mikroskobun çözünürlüğünü hiçbir şekilde etkilemediğini, yalnızca merceğin büyütülmüş bir görüntüsünü oluşturduğunu unutmayın.

burada l merceğin üst odağı ile göz merceğinin alt odağı arasındaki mesafedir; L – en iyi görüş mesafesi; 25 cm'ye eşit; F 1 ve F 2 – merceğin ve göz merceğinin odak uzaklıkları.

F 1, F 2 odak uzaklıklarını ve aralarındaki mesafeyi bilerek, mikroskobun büyütülmesini bulabilirsiniz.

Pratikte büyütme oranı 1500-2000'den büyük olan mikroskoplar kullanılmaz çünkü Mikroskopta bir nesnenin küçük ayrıntılarını ayırt etme yeteneği sınırlıdır. Bu sınırlama, belirli bir nesnenin geçen yapısındaki ışık kırınımının etkisinden kaynaklanır. Bu bağlamda çözünürlük sınırı ve mikroskobun çözme gücü kavramları kullanılmaktadır.

Mikroskop çözünürlüğünün sınırını belirleme

Mikroskop çözünürlük sınırı bir nesnenin mikroskopta ayrı ayrı görülebildiği iki nokta arasındaki en küçük mesafedir. Bu mesafe aşağıdaki formülle belirlenir:

burada λ ışığın dalga boyudur; n, mercek ile nesne arasındaki ortamın kırılma indisidir; u merceğin açıklık açısıdır; mikroskop merceğine giren konik ışık ışınının dış ışınları arasındaki açıya eşittir.

Gerçekte, bir nesneden gelen ışık, açısal bir açıklıkla karakterize edilen belirli bir koni (Şekil 2 a) içinde mikroskop merceğine yayılır - optik sisteme giren konik bir ışık ışınının dış ışınları arasındaki u açısı. Abbe'ye göre sınırlayıcı durumda, konik ışık ışınının dış ışınları, merkezi (sıfır) ve 1. ana maksimuma karşılık gelen ışınlar olacaktır (Şekil 2 b).

2nsin U miktarına mikroskobun sayısal açıklığı denir. Sayısal açıklık özel bir sıvı ortam kullanılarak artırılabilir - daldırma– objektif ile mikroskobun kapak camı arasındaki boşlukta.

Daldırma sistemlerde aynı “kuru” sistemlerle karşılaştırıldığında daha büyük bir açıklık açısı elde edilir (Şekil 3).

Şek. 3. Daldırma sistemi diyagramı

İmmersiyon olarak su (n=1.33), sedir yağı (n=1.514) vb. kullanılmaktadır.Her immersiyon için bir mercek özel olarak hesaplanır ve sadece bu immersiyonla birlikte kullanılabilir.

Formül, mikroskobun çözünürlük sınırının ışığın dalga boyuna ve mikroskobun sayısal açıklığına bağlı olduğunu gösterir. Işığın dalga boyu ne kadar kısa ve açıklık ne kadar büyük olursa, Z o kadar küçük olur ve dolayısıyla mikroskobun çözünürlük sınırı da o kadar büyük olur. Beyaz (gün ışığı) ışık için ortalama dalga boyu λ = 0,55 µm olarak alınabilir. Havanın kırılma indisi n = 1'dir.

Mikroskop mbs-1

MBS-1, söz konusu nesnenin hem iletilen hem de yansıtılan ışıkta doğrudan üç boyutlu görüntüsünü sağlayan stereoskopik bir mikroskoptur.

Mikroskop 4 ana bölümden oluşur:

- masa;

– tripod;

– kaba besleme mekanizmalı optik kafa;

– göz merceği eklentisi.

Mikroskop tablası, içine aynalı ve mat yüzeyli döner bir reflektörün monte edildiği yuvarlak bir gövdeden oluşur. Gün ışığıyla çalışmak için gövdede ışığın serbestçe geçebileceği bir kesik bulunur. Masa gövdesinin arka tarafında elektrikli aydınlatıcıyla çalışmak için dişli delik bulunmaktadır. Cihazın ana kısmı olan ve içine en önemli optik bileşenlerin monte edildiği mikroskop standına bir optik kafa takılıdır.

Optik kafanın mahfazası, içinde Galilean sistemlerinin kurulu olduğu bir tambur içerir. 0,6 numaralı rakamların yazılı olduğu tutamakları kullanarak tambur eksenini döndürün; 1; 2; 4; 7 farklı lens büyütmelerine ulaşır. Tamburun her konumu özel bir yaylı kelepçeyle net bir şekilde sabitlenmiştir. Optik başlığı hareket ettiren mikroskop sehpası üzerindeki tutamak kullanılarak söz konusu nesnenin en keskin görüntüsü elde edilir.

Optik kafanın tamamı tripod çubuğu üzerinde hareket ettirilebilir ve bir vidayla herhangi bir pozisyonda sabitlenebilir. Mercek eklentisi, mercek çerçeveleri için iki delik bulunan dikdörtgen bir parça olan bir kılavuzdan oluşur.

Göz merceğinden gözlem yaparken, iki görüntünün tek bir görüntüde birleştirildiği konumu bulmak için mercek tüplerini çevirmeniz gerekir. Daha sonra mikroskobu incelenen nesneye odaklayın ve alanın eşit şekilde aydınlatılmasını sağlamak için reflektörü döndürün. Aydınlatmayı ayarlarken, lambalı soket, gözlenen nesnenin en iyi aydınlatması elde edilene kadar toplayıcıya doğru hareket eder.

Temel olarak MBS-1, hazırlık çalışmaları, nesnelerin gözlemlenmesi, ayrıca doğrusal ölçümlerin yapılması veya preparat bölümlerinin alanlarının ölçülmesi için tasarlanmıştır. Mikroskopun optik diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 4.

MBS-1 mikroskobunun optik diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 4.

İletilen ışıkta çalışırken ışık kaynağı (1), bir reflektör (2) ve bir toplayıcı (3) yardımıyla sahneye (4) monte edilen şeffaf bir numuneyi aydınlatır.

Lens olarak, odak uzaklığı = 80 mm olan 4 lens (5) ve arkasında odak uzaklığı olan lenslerin (8) bulunduğu 2 çift Galilean sisteminden (6) ve (7) oluşan özel bir sistem kullanıldı. Göz merceklerinin odak düzlemlerinde nesnenin görüntüsünü oluşturan 160 mm.

Bir mercek (5), Galilean sistemleri (6) ve (7) ve merceklerden (8) oluşan optik sistemin toplam doğrusal büyütmesi: 0,6; 1; 2; 4; 7. Merceklerin (8) arkasında, mercek görüntüsünü döndürmeden mercek tüplerini gözlemcinin gözüne göre döndürmenizi sağlayan 2 adet Schmidt prizması (9) bulunmaktadır.

1 – ışık kaynağı;

2 – reflektör;

3 – toplayıcı;

4 – nesne tablosu;

5 – mercek (F = 80 mm);

6, 7 – Galile sistemleri;

8 – mercekler (F = 160 mm);

9 – Schmidt prizmaları;

10 – göz mercekleri.

Pirinç. 4. MBS-1 mikroskobunun optik tasarımı

MBS-1 mikroskobu 6 büyütmeli 3 çift göz merceği (10) ile birlikte gelir; 8; 12,5 ve bir adet retiküllü 8x büyütmeli göz merceği mikrometresi. Mikroskobun genel büyütme oranını 3,6'dan 88'e kadar değiştirmenize olanak tanır (Tablo 1). Bir mikroskobun toplam büyütmesi, göz merceğinin büyütülmesi ile objektifin büyütülmesinin çarpımıdır.

Tablo 1.

MBS-1 mikroskobunun optik özellikleri

Arttırmak	Mercek büyütme
Arttırmak

Gözün çözünürlüğü sınırlıdır. Çözünürlük karakterize edilmiş çözülmüş mesafe yani iki komşu parçacık arasındaki, hâlâ ayrı ayrı görülebildiği minimum mesafe. Çıplak gözle çözülen mesafe yaklaşık 0,2 mm'dir. Çözünürlüğü arttırmak için mikroskop kullanılır. Metallerin yapısını incelemek için mikroskop ilk olarak 1831'de şam çeliği üzerinde çalışan P.P. Anosov tarafından ve daha sonra 1863'te göktaşı demiri üzerinde çalışan İngiliz G. Sorby tarafından kullanıldı.

İzin verilen mesafe şu ilişkiye göre belirlenir:

Nerede ben- incelenen nesneden merceğe gelen ışığın dalga boyu, N– nesne ile mercek arasında bulunan ortamın kırılma indisi ve A- görüntüyü üreten merceğe giren ışın demetinin açılma açısının yarısına eşit açısal açıklık. Lensin bu önemli özelliği lens çerçevesine kazınmıştır.

İyi lenslerin maksimum açıklık açısı a = 70° ve sin » 0,94'tür. Çoğu çalışmada havada çalışan kuru hedefler kullanılmaktadır (n = 1). Çözülen mesafeyi azaltmak için immersiyon lensleri kullanılır. Nesne ile mercek arasındaki boşluk, yüksek kırılma indisine sahip şeffaf bir sıvı (daldırma) ile doldurulur. Tipik olarak bir damla sedir yağı kullanılır (n = 1,51).

Görünür beyaz ışık için l = 0,55 µm alırsak, ışık mikroskobunun minimum çözümleme mesafesi şöyle olur:

Bu nedenle ışık mikroskobunun çözme gücü ışığın dalga boyuyla sınırlıdır. Mercek, mercekten bakılan nesnenin ara görüntüsünü sanki bir büyüteçten bakıyormuş gibi büyütür. Mercek, nesnenin ara görüntüsünü büyütür ve mikroskobun çözünürlüğünü artıramaz.

Mikroskopun toplam büyütmesi, objektif ile göz merceğinin büyütmelerinin çarpımına eşittir. Metalografik mikroskoplar, metallerin yapısını 20 ila 2000 kat büyütme ile incelemek için kullanılır.

Yeni başlayanlar, yapıyı hemen yüksek büyütmede görüntülemeye çalışarak yaygın bir hata yaparlar. Bir cismin büyütülmesi ne kadar büyük olursa mikroskobun görüş alanında görünen alanın o kadar küçük olacağı unutulmamalıdır. Bu nedenle öncelikle metal yapının genel yapısını geniş bir alanda değerlendirmek için çalışmaya zayıf bir mercek kullanılarak başlanması tavsiye edilir. Mikroanalizlere güçlü bir mercek kullanarak başlarsanız metal yapının birçok önemli özelliği fark edilmeyebilir.

Mikroskobun düşük büyütmelerinde yapının genel bir görünümünden sonra, yapının gerekli tüm en küçük ayrıntılarını görmek için bu çözünürlüğe sahip bir mercek seçilir.

Mercek, mercek tarafından büyütülen yapının ayrıntılarının açıkça görülebileceği şekilde seçilir. Mercek büyütmesi yeterli değilse merceğin oluşturduğu ara görüntünün ince detayları mikroskopta görülemeyecek ve dolayısıyla merceğin tam çözünürlüğü kullanılmayacaktır. Mercek büyütmesi çok yüksekse yeni yapısal ayrıntılar ortaya çıkmayacak, aynı zamanda önceden tanımlanmış ayrıntıların dış hatları bulanıklaşacak ve görüş alanı daralacaktır. Göz merceğinin kendi büyütme oranı çerçevesi üzerine kazınmıştır (örneğin 7 x).