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 = Vo6 ' 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=1000х. 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.