Характеристики микрофотографических систем

Микроскоп — это оптическая система с двумя ступенями увели­чения. Первой ступенью является объектив, который формирует действительное изображение; второй — окуляр, увеличивающий сформированное объективом изображение. Окуляр представляет собой оптический прибор — «лупу», дающий мнимое изображение объекта. Преобразуя оптическую систему микроскопа таким обра­зом, чтобы она формировала действительное изображение, полу­чаем микрофотографическую систему.

Качество изображения, получаемого в микрофотографической системе, степень ее совершенства определяют общее увеличение, разрешающая способность, глубина резкости, являющиеся важ­нейшими характеристиками микрофотографических систем.

Общее увеличение определяет масштаб получаемого изобра­жения, выражаемый отношением линейных размеров изображения и объекта. Линейное увеличение объектива находят из соотноше­ния оптической длины тубуса микроскопа и фокусного расстояния объектива:

А М = — -

^fo6

где Л — оптическая длина тубуса микроскопа (расстояние между пе­редним фокусом окуляра и задним фокусом объектива); foe — фокусное расстояние объектива.

Оптическая длина тубуса зависит от величины фокусного рас­стояния объективов. При использовании короткофокусных и длин­нофокусных объективов расстояние между задним фокусом объек­тива и передним фокусом окуляра изменяется (увеличивается или уменьшается). Поэтому при расчете линейного увеличения исполь-

зуют не оптический интервал, а механическую длину тубуса, т. е. расстояние от объектива до выходного зрачка окуляра. Так, при механической длине тубуса микроскопа 160 мм увеличение объек­тива составит величину, равную:

об _t ^тоб

При конструировании микроскопов выбирают строго определен­ный размер механического тубуса, т. е. расстояние между нижней частью, где кончается объектив, и верхней, на которую устанавли­вают окуляр. Тубус может иметь длину от 160 до 180 мм.

Окуляр увеличивает детали изображения, сформированного объективом. Через окуляр изображение деталей видят в плоскости, отстоящей на расстоянии 250 мм (расстояние наилучшего видения) от глаза наблюдателя, а угловое увеличение окуляра находят из выражения:

250 Чж= —•

'ок

Общее увеличение микроскопа определяется как произведение линейного увеличения объектива на угловое увеличение окуляра:

160 250

^Уобщ ^{= V}o6 ' ^Уок ⁼ ~Г~ '~Г~ ■ 'об ок

Разрешающая способность характеризует способность сис­темы раздельно воспроизводить близко расположенные детали объекта. Она выражается наименьшим расстоянием между двумя элементами изображения, которые оптическая система микроскопа передает раздельно.

Глаз человека, как естественный оптический прибор, имеет оп­ределенную разрешающую способность. С расстояния наилучшего видения (250 мм) у человека с нормальным зрением она составля­ет порядка 0,1-0,2 мм. Две детали, отстоящие друг от друга на рас­стоянии 0,1 мм, в данном случае образуют со зрачком глаза угол, равный 1°. Разрешающую способность зрения повышают, сокра­щая расстояние до объекта и, соответственно, увеличивая угол зрения. Для этой цели используют различные оптические приборы, в том числе оптическую систему микроскопа.

Разрешающую способность микроскопа ограничивает волновая природа света — при больших увеличениях в системе возникают дифракционные явления, и различаемость деталей падает. Макси­мальное разрешение у обычных микроскопов составляет половину световой волны (Л/2). Если длина волны фиолетового излучения составляет 400 нм, то минимальное расстояние между двумя раз­личаемыми деталями составит 200 нм, или 0,0002 мм. Поскольку глаз человека различает две соседние точки с интервалом в 0,2 мм, то полезное увеличение светового микроскопа в этом случае со­ставит: 0,2:0,0002=1000^х. При съемке в отраженных ультрафиоле­товых лучах с Л=200 нм разрешающую способность данного прибо­ра можно увеличить в два раза. Современные просвечивающие электронные микроскопы достигают разрешения порядка 1,4-2 А, у растровых оно значительно ниже, порядка 70-200 А.

Разрешающая способность световых микроскопов зависит и от апертуры объектива.

Угловую апертуру объектива представляет угол, вершина которого находится на оптической оси объектива и совмещена с поверхностью исследуемого объекта, а основанием служит диаметр отверстия пе­редней его линзы. От апертуры зависит освещенность изображения. Чем она больше, тем больше света попадает в объектив.

Угловая апертура, как и светосила объектива, зависит от пока­зателя преломления среды (между передней линзой и объектом), в которой он работает. Светосилу объектива определяет численная апертура (А):

А = n-sin—, 2

где п — показатель преломления среды; а — апертурный угол.

С учетом апертуры объектива предельная разрешающая спо­собность светового микроскопа составляет величину, равную:

d = — = —:---------,

2А.. 2nsin-

где d — разрешающая способность микроскопа; Л — длина волны света; А — численная апертура объектива.

Апертура объектива должна соответствовать апертуре конденсора.

Глубина резкости изображения (Р) при микросъемке ничтож­но мала. Она составляет тысячные доли миллиметра. При визу­альном наблюдении ничтожность глубины резкости в микроскопе не представляет особых проблем, поскольку за счет аккомодации глаз человека фокусирует зрение на различных по глубине участках.

Глубина резкости, получаемая при микросъемке, не совпадает с наблюдаемой в окуляре микроскопа. При микросъемке изображе­ние должно точно совпадать с плоскостью расположения фотома­териала. Если же глубина объекта превышает глубину резкости, то отдельные его части на фотоснимке будут нерезкими.

Глубина резкости микрообъективов определяется их собственным увеличением и действующим отверстием (апертурой). С уменьшени­ем собственного увеличения и уменьшением апертуры она возрас­тает. Поэтому при микросъемке используют объективы с меньшей апертурой, компенсируя недостаток увеличения применением бо­лее сильных окуляров, растяжением меха камеры или увеличением при печати. С уменьшением апертуры снижается освещенность изображения, а также разрешающая способность микрофотогра­фической системы. Это необходимо учитывать в работе, подбирая при съемке оптимальное соотношение значений глубины резкости и разрешающей способности.