Микроскоп оптический. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Микроскоп оптический (от греч. mikros - малый и skopeo - смотрю) - оптич. прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), не видимых невооружённым глазом. Разл. типы M. предназначаются для рассматривания, изучения и измерения микроструктуры орга-нич. клеток, бактерий, срезов тканей, микрокристаллов, волокон, минералов, микросхем и др. объектов, размеры к-рых меньше мин. разрешения глаза (см. Разрешающая способность), равного 0,1 мм. M. даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,2 мкм. Обычно M. имеет двухступенчатую систему увеличения, образованную объективом и окуляром и обеспечивающую увеличение до 1500 крат. В оптич. схему M. входят также элементы, необходимые для освещения объекта.

Историческая справка. Простой однолинзовый M. (лупа с сильным увеличением) был известен уже в сер. 15 в. А. Левенгук (A. Leeuwenhoek) довёл увеличение простого M. до 300 крат и впервые обнаружил и описал мир микроскопич. организмов, в т. ч. бактерий. Изобретение сложного M., состоящего из двух положительных (собирающих) линз, относят к периоду между 1590 и 1610 и связывают с именем Г. Янсена (H. Jans-sen). В 1610 Г. Галилей (G. Galilei) на основании изобретённой им зрительной трубы построил др. тип M., состоящий из собирательного объектива и рассеивающего окуляра. Сложные M. позволили удалить препарат от глаза и устанавливать его в удобном положении. Долгое время сложные M. из-за присущего им хроматизма уступали по качеству изображения простым.

Первые расчёты ахроматич. объективов для M. были выполнены Л. Эйлером (L. Euler) в 1750-70; по расчётам Ф. У. T. Эпинуса (F. U. T. Aepinus) в 1805-08 был построен M., обеспечивающий увеличение до 180 крат. Э.Аббе (E. Abbe) разработал (1872-73) дифракц. теорию образования изображений несамосветящихся объектов в M., определил предел разрешения M. и показал при этом роль апертуры, рассчитал высокока-честв. ахроматич. и апохроматич. объективы. Его теория лежит в основе совр. микроскопостроения. Л. И. Мандельштам распространил теорию Аббе на самосветящиеся объекты.

Принцип действия M. поясняет рис. 1, на к-ром представлена оптич. схема наиб. типичного M. проходящего света. Препарат 7 (стрелочка) находится на предметном столике перед микрообъективом 8 на расстоянии, несколько большем его фокусного расстояния F_0б. Объектив образует действительное, увеличенное и перевёрнутое изображение T в плоскости полевой диафрагмы 10, лежащей за передним фокусам F_OKокуляра 11. Это промежуточное изображение рассматривается через окуляр, к-рый даёт дополнит, увеличение и образует мнимое изображение

на расстоянии наилучшего видения D = 250 мм. При этом на сетчатке глаза образуется действит. изображение предмета.

Рис. 1. Принципиальная оптическая схема микроскопа,

Если окуляр сдвинуть так, чтобы изображение T оказалось перед передним фокусом окуляра, то изображение, даваемое окуляром, становится действительным и его можно получить на экране или фотоплёнке (см. Микропроекция ).Общее увеличение M. равно произведению увеличений объектива и окуляра: Г_м = =

, причёмгде

расстояние от заднего фокуса ооъектива до переднего фокуса окуляра (т. н. оптич. длина тубуса),

- фокусные расстояния объектива и окуляра. Обычно объективы M. имеют увеличения от 6,3 до 100, а окуляры от 7 до 15; поэтому общее увеличение M. лежит в пределах от 44 до 1500.

Осветительная система M. состоит из лампы 7, коллектора 2, плоского зеркала 4 и конденсора 6. С плоскостью препарата 7 сопряжены полевая диафрагма окуляра 10 и полевая осветит, диафрагма 3, обычно регулируемая. Конус лучей, к-рый может быть воспринят объективом, ограничивает апертурная диафрагма 5, с к-рой сопряжены ирисовая диафрагма 5, пая. апертурной осветит, диафрагмой, и нить лампы накаливания 1. При таком расположении источника света и диафрагм обеспечивается равномерное освещение поля зрения даже при крайне неоднородной яркости источника. Кроме того, регулировкой полевой и апертурной осветит, диафрагм устраняется излишний свет, к-рый, не участвуя в формировании изображения, снижает контраст за счёт рассеяния на элементах конструкции M.

Разрешающая способность M., т. е. его способность давать раздельные изображения двух соседних точек объекта, ограничена дифракцией света, в результате к-рой изображение бесконечно малой светящейся точки имеет вид яркого пятна (диск Эри) с концентрич. тёмными и светлыми кольцами постепенно убывающей яркости. Диаметр диска Эри, в к-ром сосредоточено 84% всей энергии точки, имеет величину

числовая апертура,

- показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом, и - угол между оптич. осью и крайним лучом, попадающим в объектив из препарата, т. н. апертурный угол.

Рис. 2. Слияние изображения двух точек по мере их сближения: a - безусловное разрешение

; б - предельное разрешение

Предел разрешения M. определяется при сближении точек до такого расстояния, когда падение освещённости в промежутке между ними становится незаметным для глаза и точки сливаются в одну (рис. 2). Установить однозначно этот предел трудно. Чаще всего для его определения используется критерий Рэлея, в соответствии с к-рым точки считаются разрешёнными, когда расстояние между ними равно радиусу диска Эри:

. При этом в случае самосветящихся некогерентных излучателей освещённость в промежутке между точками составляет ~80% от освещённости в максимуме. Человеческий глаз может замечать контраст в освещённости до 4%; этому соответствует наим. расстояние, разрешаемое в M.,

Когерентные излучатели на таком расстоянии не разрешаются и для получения 20% контраста должны быть установлены на расстоянии

Как показал Д. С. Рождественский, в M. освещение объекта следует считать частично когерентным. Оно зависит от отношения апертур конденсора и объектива; обычно осветит, апертура устанавливается равной ²/₃ апертуры объектива, при этом освещение приближается к неко-герентному. Для несамосветящихся объектов предельное разрешение

где

- числовая апертура конденсора.

Разрешающая способность M.

прямо пропорциональна апертуре объектива, и для её повышения пространство между объективом и предметом заполняется жидкостью с большим (п > 1) показателем преломления (см. Иммерсионная система). Макс, апертура "сухих" объективов

апертура объективов с масляной иммерсией может быть доведена до 1,4. При этом в видимой области возможно разрешение структур с расстоянием между элементами ~0,2 мкм.

Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличения M. Увеличение M. в пределах 500-1000 А паз. полезным, т. к. при нём глаз различает все элементы структуры объекта, разрешаемые M. Более слабые увеличения не позволяют выявить все детали, а большие увеличения бесполезны, т. к. никаких новых подробностей структуры не выявляют. Однако иногда такие увеличения применяют в микрофотографии, при микропроецировании.

Глубина резкого изображения M., характеризующая возможные пределы продольного перемещения бесконечно тонкого объекта без заметного ухудшения резкости, складывается из волновой глубины

(п - показатель преломления объекта), обусловленной дифракц. размытием точки вдоль оптич. оси, и геом. глубины T_г = 1000/7АГ_м, связанной с конечной остротой зрения наблюдателя

. Напр., если п = 1,5, А = 1,0, l = 0,55 мкм, Г_м = 1000, то Т_в = 0,41 мкм, Т_г = 0,14 мкм и глубина резкого изображения M. T = 0,55 мкм.

Как показал Аббе, степень подобия изображения в M. самому объекту зависит от апертуры объектива. Если объект - дифракц. решётка PQ (рис. 3), освещённая параллельным пучком света, то дифрагиров. волны образуют в плоскости апертурной диафрагмы ав объектива дифракц. (пространств.) спектры объекта разных порядков (по Аббе - первичное изображение объекта). Эти спектры представляют собой совокупность дифракц. максимумов (0 и 1 на рис.), расположенных в задней фокальной плоскости объектива на расстоянии тем большем, чем меньше интервал между штрихами решётки, т. к. чем мельче структура, тем па больший угол 2м отклоняется дифрагиров. свет. Следовательно, для разрешения

Рис. 3. Схема образования изображения несамосветящегося объекта по Аббе, Вверху - распределение освещённости в плоскости изображения; 0, 1 - дифракционные максимумы; ав - апертурная диафрагма.

мелких структур нужна большая апертура. Изображение решётки

в плоскости увеличенного изображения (по Аббе - вторичное изображение) возникает в результате интерференции пучков света, исходящих из дифракц. максимумов разных порядков. Получаемое изображение тем ближе к оригиналу, чем больше максимумов участвует в формировании изображения. В частном случае, когда расстояние между штрихами меньше предела разрешения M., то угол 2и такой большой, что боковые максимумы не проходят через зрачок объектива (апертуру) и в плоскости изображения вместо периодич. структуры наблюдается равномерно освещённое поле.

Основные механические и оптические узлы M. показаны на рис. 4, где изображён разрез упрощённого биол. M. Штатив M. имеет предметный столик 6, под к-рым находится конденсор 7. Тубусодержатель 2 несёт тубус 3 с окуляром 4 и револьвер с объективом 5. Фокусировка M. производится передвижением тубусо-держателя с помощью грубого и микрометренного механизма 1. Зеркало 8 направляет свет в конденсор M., к-рый в зависимости от выбранного метода наблюдения может быть светлопольным, темноцольным или фазово-контрастным (см. Микроскопия).

Рис. 4. Разрез биологического микроскопа и ход лучей: 1 - микрометр; 2 - тубусодержатель; з - тубус; 4 - окуляр; 5 - объектив; 6 - предметный столик; 7 - конденсор; 8 - зеркало.

Микрообъективы по степени исправления хроматич. аберрации разделяются па ахроматы, у к-рых исправлена хроматич. аберрация для двух длин волн и остаётся небольшая окраска изображения, и апохроматы, у к-рых хроматич. аберрация исправлена для трёх длин волн и к-рые дают бесцветное изображение объекта. Существуют также суперапохроматы - линзовые системы, ахроматизованные одновременно в УFи видимой областях спектра (250-700 HM). Планахроматы и планапохроматы имеют плоское поле зрения, что особенно важно для микрофотографии. Кроме того, микрообъективы различаются: по длине тубуса, на к-рую они рассчитаны,- на тубусы 160 мм, 190 мм и "бесконечность" (объективы последнего типа применяются в M. совместно с дополнит, линзой, к-рая переносит изображение из бесконечности в фокальную плоскость окуляра); по среде между объективом и препаратом - на сухие и иммерсионные системы разл. типов: водные, глицериновые, масляные ит. д.; по методу наблюдения - на обычные и фазово-контрастные; по типу препаратов - с покровным стеклом и без него и т. д. Разл. приспособления к M. позволяют улучшать условия наблюдения и расширять возможности исследования.

Типы М. определяются либо областью применения, либо методом исследования. В зависимости от круга решаемых задач M. могут быть учебными, рабочими, лабораторными, исследовательскими, универсальными. В наиб, простых моделях имеется, как правило, ограниченный набор окуляров и объективов; в сложных моделях M. применяют широкий набор наиб, совершенной оптики (планахроматы), имеются штатив жёсткой конструкции, встроенный осветитель, предметный стол с двухкоординатным перемещением препарата, приспособления для разл. взаимодополняющих методов исследования, устройства для микрофотографии, микрофотометрин и др.

Биологические M. предназначены для исследований в микробиологии, гистологии, цитологии и т. д., а также используются для наблюдения прозрачных объектов в химии, физике, минералогии и т. п. Препарат при этом заключается, как правило, между покровным и предметным стёклами стандартных размеров. В биол. исследованиях используется также люминесцентный M. для наблюдения микрообъектов в свете их люминесценции. Оптич. схема люминесцентного M. отличается от обычной схемы выбором источника света и установкой светофильтров в осветит, системе и после объектива. Первый светофильтр выделяет ту область спектра излучения источника, к-рая возбуждает люминесценцию самого объекта или спец. красителей, к-рыми обработан объект; второй светофильтр пропускает только свет люминесценции. Люминесценция MH. объектов возбуждается УФ или KB частью видимого спектра, и поэтому источниками света в люминесцентных M. служат ртутные лампы. В инвертированных M. объектив располагается под наблюдаемым объектом, а конденсор сверху. Эти M. предназначены для исследования культуры тканей, находящихся в спец. сосудах с питат. средой. Металлографические M. используются для исследования микроструктуры металлов и др. непрозрачных объектов. Образцы металла - шлифы - предварительно полируются и протравливаются, благодаря чему зёрна структуры становятся отличными друг от друга по отражению. Поляризационные M. применяются для исследования в поляризов. свете анизотропных объектов: минералов, огнеупорных и текстильных материалов, биол. препаратов и пр. Проходя через эти объекты, поляризов. свет претерпевает изменения, по к-рым можно судить об осн. оптич. характеристиках микрообъектов: кол-ве оптич. осей и их ориентации, силе двойного лучепреломления, вращении плоскости поляризации, плеохроизме. В отличие от обычного M. в осветит, системе поляризац. M. установлен поляризатор, а после объектива - анализатор. Стерео микроскопы благодаря возможности получения объёмных изображений служат для проведения препарировальных работ в биологии и выполнения технол. операций в микроэлектронике. В офтальмологии, отоларингологии и др. при микрохирургич. операциях применяются стереомикроскопы спец. конструкции. Измерительные M. используются в машиностроении для точных измерений линейных размеров объекта. При этом возможны два способа измерений: 1) измеряется непосредственно величина изображения объекта в фокальной плоскости окуляра с помощью шкалы или винтового окулярного микрометра, а затем по известному значению увеличения M. вычисляется измеряемое расстояние на объекте; 2) M. используется для наводки на интересующие места объекта, а расстояние между ними определяется по относит, перемещению M. и объекта.

Существует также много типов специализиров. M. или установок, построенных на базе M.: УФ- и ИК-микроскопы- для проведения исследований за пределами видимой области спектра; микроустановки для съёмки движения микроорганизмов, процесса деления клетки, роста кристаллов; высокотемпературные M. для исследования металлов, нагретых до 2000 ⁰C; M. с дистанц. управлением для исследования радиоакт. материалов; интерференц. М.- для исследования фазовых объектов в проходящем и отражённом свете; M. для изучения следов элементарных частиц в толстослойных ядерных эмульсиях; проекц. M. для получения на экране изображения микропрепаратов; M. для проведения разл. видов спектрального анализа в проходящем и отражённом свете, в свете флуоресценции, комби-нац. рассеяния, эмиссии; M.-фотометры (в т. ч. сканирующие, цитофотометры), М--микрофлуориметры, M.-микроспектрофотометры и т. д.

Литература по микроскопам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.