Назначение и устройство микроскопов

Микроскоп относится к приборам ближнего действия и предназначен для изучения микроструктуры объектов невидимых (неразличимых) глазом, для измерения малых размеров и для индикации при измерениях.

При микроскопии широко применяется фотография и киносъемка, но они носят вспомогательный характер. Микроскоп, в основном, является визуальным прибором. Оптическая система микроскопа состоит из двух основных частей:

- осветительной системы, предназначенной для освещения объекта и расположенной между источником света и объектом,

- визуальной системы, предназначенной для получения увеличенного изображения объекта на сетчатке глаза и расположенной между объектом и приемником (глазом).

К визуальной системе предъявляются более высокие требования в отношении качества изображения, чем к осветительной системе.

В общем случае, микроскоп, как отдельный прибор, состоит из основания 1 (см. рис. 4.1.1-1), тубусодержателя 2, тубуса 3, объектива 4, окуляра 5, осветителя 6, привода грубой 7 и точной 8 наводок и предметного столика 9 с приводами подвижки.

Рис. 4.1.1-1

В зависимости от свойств изучаемого объекта и назначения микроскопа конструкция его отдельных узлов может быть различной. Поэтому микроскопы подразделяются на биологические, металлографические, измерительные и др.

Кроме того, в зависимости от используемых свойств объекта имеются микроскопы поляризационные, люминесцентные, работающие в ультрафиолетовой или инфракрасной области спектра.

Микроскопы могут быть монокулярными или стереоскопическими.

Визуальная оптическая система микроскопа обязательно содержит два основных узла - объектив и окуляр, а иногда и дополнительную линзу. Поэтому существуют двухкомпонентная схема и трехкомпонентная.

В двухкомпонентной схеме объектив и окуляр расположены на расстоянии большем, чем сумма их фокусных расстояние, на величину, называемую оптической длиной тубуса (Δ).

Рис. 4.1.1-2

Объект располагается от объектива на расстоянии немного большем его переднего фокусного расстояния. После объектива получаем действительное, обратное и увеличенное изображение объекта, это изображение рассматривается через окуляр, который дает прямое, мнимое и увеличенное изображение. В результате микроскоп дает увеличенное обратное изображение объекта.

Вся система представляет собой отрицательную оптическую систему с положительным передним фокусным расстоянием и отрицательным задним. Но микроскоп не эквивалентен отрицательной линзе.

В трех компонентной схеме между объективом и окуляром расположена положительная линза. Объект располагается в переднем фокусе объектива, поэтому между объективом и дополнительной линзой параллельный ход лучей. Дополнительная линза строит действительное изображение в задней фокальной плоскости. Это изображение рассматривается через окуляр. Оптическая длина тубуса в этом случае равна бесконечности.

Рис. 4.1.1-3

Визирная система, микроскопа характеризуется следующими оптическими характеристиками:

1. Увеличением ? Г_м Увеличение в зависимости от назначения микроскопа может быть от 1^х до 3000^х. Его можно определить по формулам:

Г_м = -250/f_м = V_обГ_ок = -250Δ/f'_обf_'ок , при двухкомпонентной системе,

где f_м - эквивалентное фокусное расстояние микроскопа, V_об и Г_ок - линейное и видимое увеличение объектива и окуляра, соответственно, f_оби f_ок - фокусные расстояния объектива и окуляра, соответственно;

Г_м = -(f'_л/f'_об)· Г_ок ;

при трехкомпонентной системе, когда Δ = ∞.

При определении полезного увеличения разрешающая способность глаза принимается, равной 2' - 4'. Это объясняется малым диаметром выходного зрачка микроскопа равного 0,5 - 1,0 мм, т. о., полезное увеличение микроскопа Г_пол лежит в диапазоне 500А = Г_пол= I000A.

2) Полем зрения 2y, которое ограничивается диаметром полевой диафрагмы, расположенной в передней фокальной плоскости окуляра, где получается промежуточное действительное изображение объекта, т. е.

или

При больших увеличениях поле зрения достигает 0,1 мм.

3) Числовой апертурой A, которая характеризует разрешающую способность и светосилу микроскопа и определяется как

A = n∙Sinσ_A ,

где п ? показатель преломления среды между первой линзой объектива и предметом, σ_А- передняя апертура.

Числовая апертура может быть увеличена за счет применения иммерсионной жидкости, располагающейся между объективом и объектом.

4) Разрешающей способностью δ, которая определяется из дифракционной теории изображения.

Можно написать, что Sinα₀ - Sinα_s=S∙λ/n∙δ, где S - номер дифрагированного пучка; α0 - угол, образованный нормалью с "0" пучком, α_s- тоже с S-тым пучком, λ - длина волны пучка.

Если α_s = - α₀, а S = 1 и α = σ_А,

то δ = λ/2n∙Sinα = λ/2n∙Sinσ_А

или δ = λ/2 A.

Таким образом, разрешающая способность микроскопа может быть увеличена за счет уменьшения длины волны света и увеличения апертуры. Первому препятствует ограниченнее число оптических материалов, работающих в коротковолновой части спектра оптического излучения, а рентгеновские лучи мало подчиняются законам преломления. Увеличение апертуры возможно только за счет иммерсии.

5) Светосилой Н. Если Е - освещенность на сетчатке глаза, а В яркость объекта, то светосила равна Н = Е/В .

Для приборов, работающих с глазом

где D′ - диаметр зрачка глаза, f_гл - заднее фокусное расстояние глаза, п - показатель преломления среды между первой линзой объектива и предметом, τ ? коэффициент пропускания системы микроскоп + глаз.

6) Глубиной резкого изображения Т, характеризующей расстояние вдоль оси, в пределах которого при наблюдении в микроскоп, предметы видны резко, т. е. с достаточное четкостью.

Глубина резкого изображения состоит из трех частей

где Т_ак - аккомодационная, Т_г - геометрическая и Т_в - волновая составляющие.

Так как приемником является глаз, то он во время наблюдения может аккомодировать в пределах от 250 мм до бесконечности и, следовательно,

Если окуляр с сеткой, то глаз аккомодирован на сетку и Т_ак= 0.

Глаз имеет определенную разрешающую способность, поэтому кружки рассеяния, меньшие разрешающей способности глаза, будут казаться точками и изображение будет казаться резким. Это определяет геометрическую глубину изображения Т_г, т. е.

Образование изображения предмета световыми пучками есть сложный процесс интерференции лучей в некотором пространстве, а не в одной плоскости. Причем этот процесс сопровождается ограничением пучков и проявлением дифракции света. Волновая глубина будет равна

Полная глубина изображения равна:

Вычислим глубину изображения микроскопа с Г_м = 1000^х, A = I, λ = 0,55 мкм,Ψ =2 '.

Имеем Т = (250∙1000/1000∙1000)+(250∙2∙1000/3440∙1∙ 000)+0,555/2.1 = 0,68 мкм.

Изменение увеличения у микроскопов производится сменой объективов или окуляров. Поэтому посадочные места для их установки стандартизированы, а также стандартизированы расстояния от посадочных плоскостей до плоскости предмета у объективов и до передней фокальной плоскости у окуляров. Кроме того, необходимо иметь определенную оптическую длину тубуса, поэтому механическая длина тубуса тоже стандартизирована.

Так в биологических микроскопах механическая длина тубуса равна 160 мм, расстояние от предметной плоскости до нижнего среза тубуса 33 мм, а расстояние от верхнего среза тубуса до плоскости действительного изображения равно 13 мм. Отсюда следует, что расстояние от предмета до его изображения при длине тубуса 160 мм равно180 мм.

Рис. 4.1.1-4

У других типов микроскопов может быть другая механическая длина тубуса, например 190мм.

Наружный диаметр оправы окуляра может быть 23,2 мм или 30 мм. Если объектив устанавливается на резьбе, то она равна 0.8"х 1/36". Высота объектива наиболее распространенная равна 33 мм.

В настоящее время унифицируются и стандартизуются и некоторые другие сборочные единицы и детали микроскопов.

На оправе объектива микроскопа указывается его апертура, увеличение, тип объектива и цветной полоской обозначается тип иммерсии.

На оправе окуляра указывается его видимое увеличение, а иногда фокусное расстояние.