Теория работы. Микроскоп - оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений малых предметов (или деталей их структуры)

Микроскоп - оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений малых предметов (или деталей их структуры), невидимых невооруженным глазом. Различные типы микроскопов предназначены для обнаружения и изучения бактерий, органических клеток, мелких кристаллов, структуры объектов, размеры которых меньше разрешения глаза, равного 0,1 мм (10^-4 м). Современные оптические микроскопы позволяют различать структуры с расстоянием между элементами до 0,2 мкм (2×10^-7 м), т.е. дают увеличение до 2000 раз.

Оптическая система микроскопа состоит из двух линз: короткофокусного объектива Л₁ (фокусное расстояние несколько мм) и длиннофокусного окуляра Л₂ (фокусное расстояние несколько см) и представлена на рис. 1.

Рис. 1

Предмет АВ помещают между фокусным и двойным фокусным расстоянием объектива Л₁, но очень близко к фокусу F₁, в результате чего получают сильно увеличенное действительное обратное изображение А ^/ В ^/ предмета АВ, которое

рассматривают через окуляр Л₂. Окуляр располагают таким образом, чтобы изображение А ^/ В ^/ находилось между окуляром и его фокусом F₂. При этом получается наблюдаемое глазом мнимое изображение А ^// В ^//, которое расположено на расстоянии наилучшего зрения D = 25 см от глаза наблюдателя.

И объектив, и окуляр микроскопа состоят из нескольких линз, что необходимо для устранения недостатков толстых линз (сферической, хроматической аберрации, астигматизма и др.). Хороший объектив может иметь свыше 10 линз. Какими бы сложными ни были объектив и окуляр данного микроскопа, расстояние между задним фокусом F₁^/ объектива и передним фокусом F₂ окуляра остается неизменным и называется оптической длиной тубуса D = F₁^/ F₂.

Как видно из рис. 1, изображение в окуляре мнимое и его невозможно измерить. Поэтому говорить о том, во сколько раз размер изображения больше размера самого предмета, не имеет смысла. Основной характеристикой микроскопа является величина, называемая угловым увеличением Г, или просто увеличением микроскопа. Увеличение Г равно отношению угла зрения, под которым виден предмет при наблюдении через микроскоп, к углу зрения при наблюдении этого же предмета невооруженным глазом с расстояния D наилучшего зрения. Оно численно равно линейному увеличению.

Увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива Г ₁ и окуляра Г ₂:

Г = Г ₁× Г ₂. (1)

Т.к. то . (2)

Рис. 2

Из рис. 2 видно, что . (3) Увеличение объектива и окуляра обозначается соответствующим числом со знаком умножения (х), например, 15 х, и указывается на их оправах. Обычно объективы биологических микроскопов имеют увеличение от 6,3 до 100, а окуляров - от 7 до 15, поэтому общее увеличение лежит в пределах от 44 до 1500 раз.

Если фокусное расстояние объектива f ₁, а окуляра f ₂, то фокусное расстояние всей системы есть , где D= F₁^/ F₂ - расстояние между фокусами объектива и окуляра. Тогда увеличение, даваемое микроскопом, равно

. (4)

При одних и тех же параметрах линз увеличение будет разным для глаза с нормальной остротой зрения (D = 25 см), для близорукого (D <25 см) и дальнозоркого (D >25 см): у близорукого оно будет меньше, чем у дальнозоркого, у нормального будет иметь промежуточное значение.

Величину полезного увеличения, даваемого микроскопом, ограничивают дифракционные явления. В результате дифракции нарушается геометрическое подобие между предметом и его изображением, при очень малых размерах предмета изображение не формируется, и наблюдается лишь дифракционная картина, состоящая из светлых и темных пятен.

Пределом разрешения называется наименьшее расстояние - линейное D U или угловое D j - между двумя точками, при котором они еще могут быть видимы раздельно. Обратная пределу разрешения величина называется разрешающей способностью R оптического прибора. Для наименьшего предела разрешения теория дает

Рис. 3

выражение , (5) где А = - числовая апертура, l - длина световой волны (для белого света принимается значение l = 555 нм), n - показатель преломления среды между

предметом и объективом, a - угол между крайними лучами, идущими от краев предмета к центру линзы (рис. 3). Для повышения разрешающей способности микроскопа необходимо либо применять более короткие длины волн (ультрафиолет), либо увеличивать его апертуру.

При применении микроскопов с ультрафиолетовым источником света изображение глазом не наблюдается, поэтому такой микроскоп используется в микрофотографии или микропроекции.

Числовую апертуру А = увеличивают применением иммерсионных систем, у которых пространство между предметом и объективом заполняется средой с показателем преломления n >1, чаще всего кедровым маслом (n= 1,5). Апертуры иммерсионных объективов достигают величины А =1,3 (у обычных «сухих» объективов А ~ 0,9). Увеличение микроскопа в пределах 500 А - 1000 А называется полезным, т.к. при нем глаза различают все элементы структуры объекта. При увеличении свыше 1000 А не выявляются никакие новые структуры рассматриваемого объекта из-за явления дифракции, которое ограничивает разрешающую способность микроскопа.

На рис. 4 представлен микроскоп БИОЛАМ С-11 и его элементы. Оптическая схема микроскопа состоит из объектива (обращенного к объекту) и окуляра (обращенного к глазу), которые размещены на концах цилиндрической трубки - тубуса. Для установки на резкое изображение тубус поднимают или опускают с помощью винта кремальеры 6 (грубая наводка) или микрометрического винта 7 (точная наводка). Объект помещается на предметном столике и освещается снизу с помощью зеркала.

 Рис. 4

Элементы микроскопа БИОЛАМ С-11:   1. Корпус   2. Тубус   3. Объектив   4. Окуляр   5. Предметный столик   6. Винт грубой фокусировки   7. Винт точной фокусировки   8. Осветительное зеркало