Оптическая схема, принцип действия, увеличение и разрешающая способность микроскопа

Оптическая схема, принцип действия, увеличение и разрешающая
способность микроскопа
Основные узлы микроскопа
1. Конденсор (от латинского condense—сгущаю, уплотняю) короткофокусная линза или система линз, используемая в оптическом приборе для
освещения рассматриваемого или проецируемого предмета. Конденсор собирает и
направляет на предмет лучи от источника света, в том числе и такие, которые в его
отсутствие проходят мимо предмета; в результате такого «сгущения» светового потока
резко возрастает освещенность предмета. Конструкция конденсора тем сложнее, чем
больше его апертура.
2. Апертура (от лат. apertura — отверстие), действующее отверстие оптической
системы, определяемое размерами линз или диафрагмами.
Угловая апертура — угол a между крайними лучами конического светового пучка,
входящего в оптическую систему.
Числовая апертура равна nsina/2, где n — показатель преломления среды, в которой
находится предмет.
Освещённость изображения пропорциональна квадрату числовой апертуры.
При числовых апертурах до 0,1 применяют простые линзы;
при апертурах 0,2—0,3— двухлинзовые конденсоры,
выше 0,3—трёхлинзовые.
Наиболее распространён конденсор из двух одинаковых плосковыпуклых линз, которые
обращены друг к другу сферическими поверхностями для уменьшения сферической
аберрации. Иногда поверхности линз конденсора имеют более сложную форму —
параболоидальную, эллипсоидальную и т. д.
Разрешающая способность прибора - минимальное расстояние между 2
близлежащими точками, при котором они всё ещё видны отдельно
-пропорциональна апертуре.
Так как числовая апертура пропорциональна n, то для её увеличения рассматриваемые
предметы часто помещают в жидкость с большим показателем преломления (в т. н.
иммерсионную жидкость).
Разрешающая способность микроскопа повышается с увеличением апертуры его
конденсора, поэтому конденсор микроскопов — обычно сложные двух или трёхлинзовые
системы. Часто наличие в конденсоре нескольких линз вызвано не только стремлением
увеличить его апертуру, но и необходимостью однородного освещения предмета при
неоднородной структуре источника света.
3. Диафрагма (от греч. diáphragma — перегородка) в оптике, непрозрачная преграда,
ограничивающая поперечное сечение световых пучков в оптических системах. Роль
диафрагмы часто играют оправы линз, призм, зеркал и др. оптических деталей, зрачок
глаза, границы освещённого предмета, в спектроскопах — щели. Размеры и положение
диафрагмы определяют освещённость и качество изображения, глубину резкости и
разрешающую способность оптической системы, поле зрения. Диафрагма, наиболее
сильно ограничивающая световой пучок, называется апертурной или действующей.
Изображение апертурной диафрагмы в предшествующей ей части оптической системы
определяет входной зрачок системы, изображение в последующей части — выходной
зрачок. Входной зрачок ограничивает угол раскрытия пучков лучей, идущих от точек
объекта; выходной зрачок играет ту же роль для лучей, идущих от изображения объекта
(рис. 1).
Рис. 1. Q1Q2 — апертурная диафрагма; её изображение в предшествующей
части оптической системы L1 - есть входной зрачок P1P2;
изображение в последующей части L2 — выходной зрачок Р'1Р'2.
Лучи, выходящие из точки О объекта АВ, сильнее всего ограничиваются
входным зрачком P1P2, выходящие из точки О' изображения A'B' — выходным
зрачком Р'1Р'2.
Увеличение оптическое - отношение линейных или угловых размеров изображения
предмета, получаемого с помощью оптической системы, к соответствующим размерам
предмета.
Различают линейное, угловое и продольное оптическое увеличение.
Линейное (поперечное) увеличение β — отношение длины l' изображения отрезка, перпендикулярного
оптической оси системы, к длине этого отрезка l:
β = l'/l
При β > 0 (направления l и l ' совпадают) изображение называется прямым:
при β < 0 (l и l ' антипараллельны) — обратным или перевёрнутым:
при | β |<1 — уменьшенным;
при | β | >1 — увеличенным.
Угловое увеличение γ — отношение тангенса угла наклона u' луча к оптической оси в пространстве
изображений к тангенсу угла наклона u сопряжённого ему луча в пространстве предметов:
γ = tgu' / tgu
- это важнейшая характеристика многих оптических приборов, например луп и окуляров.
Продольное увеличение α — отношение длины отрезка Δx', отложенного вдоль оптической оси системы в
пространстве изображений, к сопряжённому ему отрезку Δх в пространстве предметов:
α = Δx‘/ Δх.
Взаимная связь величин
α, β
и
γ
определяется соотношением
αγ=β.
Если n и n' —показатели
преломления среды в пространстве предметов и в пространстве изображений, соответственно, то
βγ = n/n'.
Для оптической системы, находящейся в воздухе, n = n' и γ= 1/β, то есть угловое увеличение обратно
пропорционально линейному. Это означает, что чем больше линейное увеличение, тем уже световые
пучки, с помощью которых строится изображение, и тем меньше его освещённость. α и β связаны
выражением α = (n'/n) β2 и при n=n' α=β2
4. Объектив - обращенная к объекту часть оптической системы или самостоятельная
оптическая система, формирующая действительное оптическое изображение объекта.
Это изображение либо рассматривают визуально в окуляр, либо получают на плоской
(реже искривленной) поверхности (фотографического свето-чувствительного слоя,
фотокатода передающей телевизионной трубки и т.д.).
Конструктивно объективы могут быть разделены на три класса:
наиболее распространённые - линзовые (рефракторы, диоптрические);
зеркальные (рефлекторы, катоптрические);
зеркально-линзовые (катадиоптрические).
По назначению объективы делятся:
- на объективы зрительных труб и телескопов, которые дают уменьшенное изображение;
- объективы микроскопов —увеличенное изображение;
- фотографические и проекционные объективы, дающие в зависимости от конструкции и
способа применения уменьшенное или увеличенное изображение.
Важнейшими оптическими характеристиками объектива являются:
• фокусное расстояние, которое при заданном удалении объекта от объектива определяет
оптическое увеличение объектива;
• диаметр входного зрачка объектива;
• относительное отверстие и выражающаяся через него светосила объектива;
• поле зрения объектива.
Качество формируемого объективом изображения характеризуют: разрешающая
способность объектива, коэффициент передачи контраста, коэффициенты
интегрального и спектрального пропускания света, коэффициент светорассеяния в
объективе, падение освещённости по полю изображения.
5. Окуляр (от лат. oculus — глаз), обращенная к глазу наблюдателя часть оптической
системы — зрительной трубы, телескопа, бинокля, микроскопа и т.д.; служит для
визуального рассматривания действительного оптического изображения (его называют
промежуточным), которое формирует объектив или др. предшествующая окуляру (по
ходу лучей света) часть системы.
Большинство окуляров — положительны, т. е. собирают (сужают) проходящие через них
пучки лучей света. По своему действию такие окуляры сходны с лупами, их располагают
так, чтобы промежуточное изображение находилось непосредственно за передней
фокальной плоскостью окуляра (практически в этой плоскости); в этих условиях окуляр
даёт мнимое изображение (дополнительно увеличивая его по сравнению с
промежуточным), преобразуемое оптической системой глаза наблюдателя в
действительное, которое проектируется на сетчатку глаза. Отличие положительного
окуляра от лупы, связанное с его использованием в сложной системе, включающей
объектив, состоит в значительно меньшей апертуре пучка попадающих в него лучей.
Перемещение положительного окуляра относительно промежуточного изображения (так,
чтобы оно находилось перед фокальной плоскостью окуляра) превращает окуляр в
проекционную систему, дающую действительное изображение объекта. Такое
изображение нельзя наблюдать непосредственно визуально, но можно зафиксировать на
экране или фоточувствительном слое. Существуют специальные т. н. фотоокуляры и
проекционные окуляры, рассчитанные для работы в этом режиме.
Общее увеличение микроскопа равно произведению линейного увеличения объектива
на угловое увеличение окуляра:
Γм=β∙Γок
Источник света
Линза-коллектор
Полевая диафрагма
Зеркало
Апертурная диафрагма
Конденсор
Объект
7’. Перевернутое и увеличенное
действительное оптическое
изображение объекта
7”. Мнимое изображение объекта
8. Объектив
9. Окуляр
10. Предметное стекло
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Метод светлого поля в отражённом
свете применяется для наблюдения
непрозрачных отражающих свет
объектов, например шлифов
металлов или других непрозрачных
материалов. Освещение образца 4 от
осветителя 1 и полупрозрачного
зеркала 2 производится сверху, через
объектив 3, который одновременно
играет и роль конденсора. В
изображении, создаваемом в
плоскости 6 объективом совместно с
тубусной линзой 5, структура
препарата видна из-за различия в
отражающей способности её
элементов; на светлом поле
выделяются также неоднородности,
рассеивающие падающий на них свет.
Дополнительная литература по теме:
1.
2.
3.
4.
Михель К., Основы теории микроскопа, пер. с нем., М., 1955;
Микроскопы, под ред. Н. И. Полякова, М., 1969;
Федин Л. А., Барский И. Я., Микрофотография, Л., 1971;
Оптические приборы для измерения линейных и угловых величин в
машиностроении, М., 1964.