Характеристики оптических микроскопов

Микроскоп – прибор, предназначенный для получения сильно увеличенных изображений исследуемых объектов, или деталей их структуры, невидимых невооруженным глазом. В оптических микроскопах для этой цели используется электромагнитное излучение видимой части спектра, т.е. обычный белый свет. Существуют также приборы, использующие другие диапазоны излучений (ультрафиолетовое, рентгеновское) и потоки частиц-волн (электронов, нейтронов, гамма-квантов и др.).

Современные оптические микроскопы различных типов состоят из трёх основных систем: оптической, осветительной и механической.

Главными элементами оптической системы микроскопа являются объектив и окуляр. Объектив представляет собой линзу или чаще всего систему линз, установленных в общей оправе, обращённых к рассматриваемому объекту. Основное назначение объектива – создание действительного увеличенного изображения исследуемого объекта в фокальной плоскости окуляра. Окуляр это обращённая к глазу часть микроскопа, предназначаемая для рассматривания с некоторым увеличением изображения, создаваемого объективом.

Осветительная система микроскопа обеспечивает равномерное освещение объекта исследования и обычно состоит из двух основных частей – коллектора и конденсора. Коллектор это часть осветительной системы, расположенная вблизи источника света и предназначенная для увеличения размера светящегося тела. Конденсор - короткофокусная линза или система линз, собирающих и направляющих лучи от источника света на объект исследования.

Важными элементами микроскопа являются также апертурная и полевая диафрагмы. Апертурная диафрагма ограничивает пучок световых лучей, входящих в систему микроскопа, полевая – ограничивает размер поля зрения.

Механическая система микроскопа содержит штатив, объединяющий все системы, и предметный столик, на котором размещают объект исследования. Обычно предметный столик обеспечивает координатное движение объекта.

Принципиальная схема оптического микроскопа, работающего в проходящем свете, и предназначенного для исследования прозрачных объектов, представлена на рис. 6.

Рисунок 6 – Принципиальная схема микроскопа

Объектив ОБ создаёт действительное, перевернутое изображение P′Q′ объекта PQ в фокальной плоскости окуляра ОК. Это изображение рассматривается через окуляр, который даёт дополнительное увеличение и образует мнимое изображение объекта P′′Q′′ на расстоянии наилучшего видения глаза D. Общее увеличение микроскопа У равно произведению увеличения объектива У_ОБ на увеличение окуляра У_ОК:

У = У_ОБ × У_ОК , где (1)

У_ОБ = ∆ / f_об ; У_ОК = D / f_ок (2)

(∆ – расстояние от задней фокальной плоскости объектива до плоскости изображения P′Q′, так называемая оптическая длина тубуса, f_об – фокусное расстояние объектива, f_ок – фокусное расстояние окуляра).

Для получения контрастных и равномерно освещенных изображений в микроскопе осветительная система устроена следующим образом. Источник света Л проектируется коллектором КЛ в плоскость апертурной диафрагмы ab конденсора К, а полевая диафрагма ДП проектируется конденсором в плоскость предмета PQ. При наблюдении в микроскоп апертурная диафрагма, проектируемая конденсором и объективом в выходной зрачок объектива ab, открывается приблизительно до 2/3 диаметра выходного зрачка объектива. Полевая диафрагма открывается до размера наблюдаемого поля, ограниченного диафрагмой окуляра микроскопа. При такой схеме каждая точка источника света действует одинаково на все точки поля зрения, что дает равномерную освещенность поля.

Особенностью металлографических микроскопов является то, что они предназначаются для исследования непрозрачных объектов, поэтому работают не в проходящем, а в отраженном от объекта свете. Осветительная система таких микроскопов с помощью комплекта специальных призм и зеркал направляет лучи света через объектив на поверхность исследуемого образца. Далее свет отражается от поверхности образца и через тот же объектив поступает в наблюдательную (оптическую) систему. Таким образом, один и тот же объектив используется и в осветительной системе микроскопа (в качестве конденсора) и в наблюдательной.

Примерами металлографических микроскопов, широко используемых в настоящее время в исследовательских и учебных лабораториях, являются МИМ-7, МИМ-8, ММР-2(2Р), ММУ-3, NEOPHOT и другие.

Основными характеристиками оптических микроскопов любого типа, в том числе и металлографических, являются разрешающая способность и увеличение.

Разрешающая способность – это способность микроскопа давать чёткое раздельное изображение двух близко расположенных точек, деталей рассматриваемого объекта. Человеческий глаз, представляющий собой биологическую оптическую систему, при нормальной остроте зрения на расстоянии наилучшего видения (D = 250 мм) может различать мелкую структуру, состоящую из линий или точек, если соседние элементы структуры находятся на расстоянии друг от друга в среднем не меньшем 0,2 мм. Оптические микроскопы различных типов позволяют достигать значительно более высоких разрешений. При этом существует фундаментальное ограничение на разрешающую способность оптических микроскопов, что обусловлено волновой природой света и явлением дифракции световых волн на микроскопических элементах структуры. Данное ограничение проявляется в невозможности получать изображение объектов меньших по размерам, чем длина волны используемого излучения.

Количественным критерием разрешающей способности микроскопа является предел разрешения. Предел разрешения - это наименьшее расстояние между двумя точками (деталями структуры), которые видны в микроскопе раздельно. Чем меньше предел разрешения, тем выше разрешающая способность микроскопа.

Теория разрешающей способности микроскопа, разработанная Э. Аббе, даёт следующую формулу для расчёта предела разрешения d:

d = 0,51 λ / А , (3)

где λ – длинна волны используемого света, А – числовая апертура объектива.

Апертура – характеристика, описывающая способность оптической системы собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения. Числовая апертураобъектива, характеризующая световой поток, поступающий в объектив, определяется выражением:

А = n × sin α , (4)

где n – коэффициент преломления среды между объективом и объектом исследования, α – апертурный угол – угол между оптической осью и крайним лучом конического светового пучка, поступающего в объектив от микроскопической частицы, располагаемой на поверхности объекта исследования (рис. 7).

Рисунок 7 – Световой поток, поступающий в объектив

Числовая апертура является важнейшей характеристикой объектива. Чем больше значение А, тем меньше рассчитываемый по формуле (3) предел разрешения d, а, следовательно, выше разрешающая способность микроскопа. Значение числовой апертуры (А), вместе со значением фокусного расстояния (F) обычно указывается на оправе объектива.

Изменение числовой апертуры объектива, согласно формуле (4), может происходить за счёт изменения коэффициента преломления среды n и апертурного угла α. Пространство между объектом и объективом обычно заполнено воздухом, для которого n = 1. Такие объективы принято называть сухими. Для повышения светосилы объектива и величины его числовой апертуры пространство между линзой объектива и объектом наблюдения заполняют прозрачной жидкостью с более высоким коэффициентом преломления. Такие объективы называют иммерсионными. В качестве иммерсионной жидкости используют кедровое масло (n = 1,515), воду (n = 1,33) и др.

Предельный апертурный угол современных объективов достигает 72º, поэтому максимальное значение А, рассчитываемое по формуле (4), для сухого объектива составляет 0,95; а для объектива с масляной иммерсией – 1,44.

Если в формуле (3) при расчете использовать длину волны света λ = 555 нм, к которой наиболее чувствителен человеческий глаз, то предел разрешения сухого объектива составит 298 нм (~ 0,3 мкм), а с масляной иммерсией – 197 нм (~ 0,2 мкм).

Разрешающую способность микроскопа можно повысить, уменьшив длину волны используемого света. Существуют специальные микроскопы с приспособлениями для наблюдения и фотографирования объектов, в которых используется ультрафиолетовое излучение. Поскольку длина волны ультрафиолетовых лучей в два раза меньше, чем у видимого света, такие микроскопы способны обеспечить более высокое разрешение. Предел разрешения ультрафиолетовых микроскопов составляет примерно 0,1 мкм.

Более высокую разрешающую способность демонстрируют электронные микроскопы. Длина волны движущегося электрона в 1000 раз меньше длины волны видимого света, поэтому практический предел разрешения электронного микроскопа составляет примерно 0,5 нм (0,0005 мкм).

Общее увеличение оптического микроскопа определяется произведением увеличений объектива и окуляра. Полезным увеличением микроскопа называют такое увеличение, при котором глаз наблюдателя может полностью использовать разрешающую способность микроскопа, т.е. когда детали структуры, имеющие размер, равный пределу разрешения микроскопа (d_м), имеют изображение, размер которого равен пределу разрешения глаза (d_гл).

Расчеты показывают, что полезное увеличение микроскопа находится в области 500÷1000-кратной величины числовой апертуры объектива. При увеличении меньше 500 А разрешающая способность глаза (d_гл = 0,14÷0,28 мм) не позволяет рассмотреть в получаемом изображении тонкости структуры. Увеличение больше 1000 А не даст эффекта, так как возможности оптики уже полностью реализованы.