Оптическая система микроскопа

Ø Общие принципы создания изображения.

По дифракционной теории образования изображения Аббе полное изображение объекта, воспроизводимое с помощью микроскопа, получается в процессе наложения двух изображений, которые сформированы за счет явлений дифракции (первичное изображение) и интерференции (вторичное изображение) светового потока, прошедшего через объект. Принцип действия микроскопа прост: пучок световых лучей направляется линзой конденсора через образец, а полученное изображение затем увеличивается с помощью линз.

Рассмотрим принцип создания изображения более подробно. Объект (препарат) располагают на предметном стекле. Конденсор концентрирует на объекте пучок света, отражающегося от зеркала. Источником света в микроскопе чаще всего служит специальный осветитель; иногда зеркало направляет на объект обычный дневной свет. Диафрагмы — полевая и апертурная ограничивают световой пучок и уменьшают в нём долю рассеянного света, попадающего на препарат «со стороны» и не участвующего в формировании изображения.

Возникновение изображения препарата в микроскопе в основных (хотя и наиболее простых) чертах можно описать в рамках геометрической оптики. Лучи света, исходящие от объекта, преломляясь в объективе, создают перевёрнутое и увеличенное действительное изображение оптическое изображение объекта. Это изображение рассматривают через окуляр. При визуальном наблюдении микроскоп фокусируют так, чтобы оптическое изображение находилось непосредственно за передним фокусом окуляра. В этих условиях окуляр работает как лупа: давая дополнительное увеличение, он образует мнимое изображение (по-прежнему перевёрнутое); проходя через оптические среды глаза наблюдателя, лучи от мнимого изображения создают на сетчатке глаза действительное изображение объекта. Обычно мнимое изображение располагается на расстоянии наилучшего видения от глаза.

Ø Числовая (нумерическая) апертура и разрешающая способность.

Числовая апертура объектива (А) — произведение синуса половины апертуры на показатель преломления среды между предметом и объективом: А = n х sin α, где
п — показатель преломления среды, лежащей между объектом наблюдения и объективом,
α — половина угла раствора светового пучка, исходящего из точки и попадающего в объектив. Числовая апертура определяет ряд важнейших свойств микроскопа: яркость изображения, «проникающую» и «отображающую» способности, т.е. степень сходства изображения с предметом. Чем больше числовая апертура, тем более мелкие подробности в состоянии воспроизводить объектив.

Разрешающая способность — это способность глаза или оптического прибора различать наименьшее расстояние между изображениями двух соседних точек (линий), которые различаются как два отдельных изображения. Говоря иными словами, если мы сближаем две удаленные друг от друга точки, то по достижении какого-то критического расстояния они сольются и будут восприниматься как одна. Разрешающая способность (разрешение0 – это то наименьшее расстояние, на котором две близлежащие точки объекта еще воспринимаются раздельно.

Например, невооружённый человеческий глаз имеет разрешающую способность около 1/10 мм, или 100 мкм. Это означает, что если человек смотрит на две линии, которые находятся друг от друга на расстоянии менее чем 100 мкм, они сливаются в одну.

d = (0.61λ)/(nxsinα)

Таким образом, разрешающая способность зависит от длины волны света, показателя преломления среды. Кроме того, разрешающая способность имеет предел, обусловленный волновыми свойствами света. Согласно общей закономерности, наблюдая объект в каком-либо излучении с длиной волны l, невозможно различить элементы объекта, разделённые расстояниями, намного меньшими, чем l. Эта закономерность проявляется и в микроскопе, причём количественное её выражение несколько различно для самосветящихся и несамосветящихся объектов.

Ø Увеличение микроскопа.

Под увеличением микроскопа следует понимать отношение размера изображения препарата на сетчатке глаза, образованное при наблюдении через микроскоп, к размеру того же препарат, полученному на сетчатке при наблюдении невооруженным глазом. Общее увеличение микроскопа рано произведению увеличения объектива на увеличение окуляра. Если между ними расположена одна или несколько увеличивающих систем, то общее увеличение микроскопа равно произведению значений увеличений всех оптических систем, включая промежуточные: объектива, окуляра, бинокулярной насадки, оптовара или проекционных систем: Г_м = _o6x Г_окx ql x q2 x..., где Гм — общее увеличение микроскопа; _об — увеличение объектива; Гок — увеличение окуляра; ql, q2... — увеличение дополнительных систем. Например, в отечественных микроскопах БИОЛАМ Р-11, С-11 монокулярная насадка не имеет увеличения, следовательно, общее увеличение микроскопа с объективом 90 х и окуляром 10 х будет: 90 x 10 = 900 х Бинокулярная насадка АУ-12, устанавливаемая на микроскопах БИОЛАМ Р-15, БИОЛАМ И, имеет собственное увеличение 1,5х. Следовательно, общее увеличение микроскопа в этом случае будет: 90x10x1,5 = 1350х. Увеличение микроскопа может достигать 2000х.

Ø Полезное увеличение микроскопа.

Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза. Полезное увеличение микроскопа должно быть не более 1000 числовых апертур объектива и не менее 500: 500А_об<Г_м< 1000 А_об, где Аоб — числовая апертура объектива. Например, для объектива 90x1,25 полезное увеличение микроскопа лежит в диапазоне 625х—1250х. При большем увеличении изображение становится нечетким и малоконтрастным, с пониженной разрешающей способностью; при меньшем увеличении — изображение объекта, несмотря на четкость и повышенный контраст, становится настолько мелким, что элементы объекта практически неразличимы.

Пример расчета полезного увеличения и подбора оптики при необходимости подбора окуляра. Объектив 90x1,25 МИ; бинокулярная насадка АУ-12, имеющая собственное увеличение 1,5х, числовая апертура объектива — А_о6 = = 1,25.
Нижний предел увеличения микроскопа должен быть: 500x1,25 = 625.
Верхний предел увеличения микроскопа должен быть: 1000x1,25= 1250.
Общее увеличение объектива и бинокулярной насадки: 90х 1,5 = 135.
Таким образом, минимальное увеличение окуляра будет: 625: 135 = 4,6х, а максимальное увеличение — 1250: 135 = 9,2 х.