Оптическая схема, принцип действия, увеличение и разрешающая способность микроскопа

Рис. 1 Оптическая схема прямого микроскопа проходящего света.

Одна из типичных схем М. приведена на рис. 1. Рассматриваемый объект (препарат) 7 располагают на предметном стекле 10. Конденсор 6 концентрирует на объекте пучок света, отражающегося от зеркала 4. Источником света в М. чаще всего служит специальный осветитель, состоящий из лампы и линзы-коллектора (соответственно 1 и 2 на рис.1); иногда зеркало направляет на объект обычный дневной свет. Диафрагмы — полевая 3 и апертурная 5 ограничивают световой пучок и уменьшают в нём долю рассеянного света, попадающего на препарат «со стороны» и не участвующего в формировании изображения.

Возникновение изображения препарата в М. в основных (хотя и наиболее простых) чертах можно описать в рамках геометрической оптики. Лучи света, исходящие от объекта 7, преломляясь в объективе 8, создают перевёрнутое и увеличенное действительное оптическое изображение 7' объекта. Это изображение рассматривают через окуляр 9. При

визуальном наблюдении М. фокусируют так, чтобы 7' находилось непосредственно за передним фокусом окуляра F_OK. В этих условиях окуляр работает как лупа: давая дополнительное увеличение, он образует мнимое изображение 7" (по-прежнему перевёрнутое); проходя через оптические среды глаза наблюдателя, лучи от 7" создают на сетчатке глаза действительное изображение объекта. Обычно 7" располагается на расстоянии наилучшего видения D от глаза. Если сдвинуть окуляр так, чтобы 7' оказалось перед F_OK, то изображение, даваемое окуляром, становится действительным и его можно получить на экране или фотоплёнке; по такой схеме производят, в частности, фото- и видеосъёмку микроскопических объектов.

Микропроекция (от микро... и лат. projectio, буквально — выбрасывание вперёд), способ получения на экране (а при микрофото- и микрокиносъёмке — на фоточувствительном слое) даваемых микроскопом оптических изображений малых объектов. При М. объектив 2 микроскопа (рис.) образует, как обычно, увеличенное действительное изображение Г объекта 1; окуляр же 3 работает как проекционная система (для этого микроскоп фокусируют так, чтобы 1' находилось перед передним фокусом F окуляра) и создаёт действительное изображение 1" на экране 4. Линейное оптическое увеличение при М микропроекции.

b=bГ_ОКК/250=bГК/f'_ОК

где b_0б и Г_ок — номинальные значения увеличении объектива и окуляра, f'_OK — фокусное расстояние окуляра, К — расстояние от окуляра до экрана.

Рис. Принципиальная схема образования изображения при микропроекции.

Общее увеличение М. равно произведению линейного увеличения объектива на угловое увеличение окуляра:

Г= b х Гок

(см. Увеличение оптическое). Увеличение объектива b = D/ f '_0б, где D — расстояние между задним фокусом объектива f'_oб и передним фокусом окуляра (т. н. оптическая длина тубуса

Рис. 2. Распределение освещённостей в изображении двух близких «точек» в предельном случае их визуального разрешения.

Разумеется, технически возможно применить в М. объективы и окуляры, которые дадут общее увеличение, значительно превышающее 1500. Однако обычно это нецелесообразно. Большие увеличения не являются самоцелью - - назначение М. состоит в том, чтобы обеспечить различение как можно более мелких элементов структуры препарата, т. е. в максимальном использовании разрешающей способности М. А она имеет предел, обусловленный волновыми свойствами света. (В геометрической оптике, в рамках которой выше было рассмотрено образование изображения в М., отвлекаются от этих свойств света, но предел возможностей М. определяют именно они.) Согласно общей закономерности, наблюдая объект в каком-либо излучении с длиной волны l,, невозможно различить элементы объекта, разделённые расстояниями, намного меньшими, чем l,. Эта закономерность проявляется и в М., причём количественное её выражение несколько различно для самосветящихся и несамосветящихся объектов. Изображение испускающей монохроматический свет точки, даваемое даже идеальным (не вносящим никаких искажений) объективом, не воспринимается глазом как точка, так как вследствие дифракции света фактически является круглым светлым пятнышком конечного диаметра d, окруженным несколькими попеременно тёмными и светлыми кольцами (т. н. дифракционное пятно, пятно Эри, диск Эри).

d= 1,22l/A,

где l — длина волны света (при освещении препарата немонохроматическим светом l, -обычно наименьшая длина волны, характеризующая этот свет, либо длина волны, интенсивность излучения на которой максимальна), А — числовая апертура объектива, равная А = п • sin u_m (п — показатель преломления среды, разделяющей светящуюся точку и объектив, и_т — половина угла раствора светового пучка, исходящего из точки и попадающего в объектив). Если две светящиеся точки расположены близко друг от друга, их дифракционные картины накладываются одна на другую, давая в плоскости изображения сложное распределение освещённости (рис. 2). Наименьшая относительная разница освещённостей, которая может быть замечена глазом, равна 4 %. Этому соответствует

наименьшее расстояние между точками, при котором их изображения можно различить-

предельное разрешение М.:

d_пр = 0,42d=0,51 l/A

Для несамосветящихся объектов, как было показано Э. Аббе в его классической теории М., предельное разрешение составляет

d_пр = l/(A+A'),

где А и А' — числовые апертуры объектива и конденсора М. (значения апертур гравируются на оправах).

Изображение любого объекта состоит из совокупности изображений отдельных элементов его структуры. Мельчайшие из них воспринимаются как точки, и к ним полностью применимы ограничения, следующие из дифракции света в М. — при расстояниях между ними, меньших предельного разрешения М., они сливаются и не могут наблюдаться раздельно. Существенно повысить разрешающую способность М. можно, только увеличивая А. В свою очередь, увеличить А можно лишь за счет повышения показателя преломления п среды между объектом и объективом (т. к. sinu_m £ 1). Это и осуществлено в иммерсионных системах, числовые апертуры которых достигают величины А = 1,3 (у обычных «сухих» объективов макс. А» 0,9).

Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличений, получаемых с помощью М. Увеличения от 500 А до 1000 А называют полезными, т. к. при них глаз наблюдателя различает все элементы структуры объекта, разрешаемые М. При этом исчерпываются возможности М. по разрешающей способности. При увеличениях свыше 1000 А не выявляются никакие новые подробности структуры препарата; всё же иногда такие увеличения используют — в микрофотографии, при проектировании изображений на экран и в некоторых других случаях.

Методы освещения и наблюдения (микроскопия). Структуру препарата можно различить лишь тогда, когда разные его частицы по-разному поглощают или отражают свет либо отличаются одна от другой (или от окружающей среды) показателем преломления. Эти свойства обусловливают разницу амплитуд и фаз световых волн, прошедших через различные участки препарата, от чего, в свою очередь, зависит контрастность изображения. Поэтому методы наблюдения в М. выбираются (и обеспечиваются конструктивно) в зависимости от характера и свойств изучаемых объектов.

Метод светлого поля в проходящем свете применяется при исследовании прозрачных препаратов с включенными в них абсорбирующими (поглощающими свет) частицами и деталями. Таковы, например, тонкие окрашенные срезы животных и растительных тканей, тонкие шлифы минералов и т. д. В отсутствие препарата пучок света из конденсора 6 (рис. 7), проходя через объектив 8, даёт вблизи фокальной плоскости окуляра 9 равномерно освещенное поле. Если в препарате 7 имеется абсорбирующий элемент, то он отчасти поглощает и отчасти рассеивает падающий на него свет (штриховая линия), что и обусловливает появление изображения. Метод может быть полезен и при наблюдении неабсорбирующих объектов, но лишь в том случае, если они рассеивают освещающий пучок настолько сильно, что значительная часть его не попадает в объектив.

Метод косого освещения является разновидностью предыдущего, отличаясь тем, что свет на объект направляют под большим углом к направлению наблюдения. В ряде случаев это позволяет выявить «рельефность» объекта за счёт образования теней.

Метод светлого поля в отражённом свете (рис. 3) применяется для наблюдения непрозрачных отражающих свет объектов, например шлифов металлов или руд. Освещение препарата 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.

Метод тёмного поля в проходящем свете (рис. 4) применяется для получения изображений прозрачных неабсорбирующих объектов, невидимых при освещении по методу светлого поля. Часто таковы биологические объекты. Свет от осветителя 1 и зеркала 2 направляется на препарат конденсором специальной конструкции — т. н. конденсором тёмного поля 3. По выходе из конденсора основная часть лучей света, не изменившая своего направления при прохождении через прозрачный препарат, образует пучок в виде полого конуса и не попадает в объектив 5 (который находится внутри этого конуса). Изображение в М. создаётся лишь небольшой частью лучей, рассеянных микрочастицами находящегося на предметном стекле 4 препарата внутрь конуса и прошедшими через объектив. В поле зрения 6 на тёмном фоне видны светлые изображения элементов структуры препарата, отличающихся от окружающей среды показателем преломления. У крупных частиц видны только светлые края, рассеивающие лучи света. При этом методе по виду изображения нельзя определить, прозрачны частицы или непрозрачны, больший или меньший показатель преломления они имеют по сравнению с окружающей средой.

Метод ультрамикроскопии, основанный на том же принципе (препараты в ультрамикроскопах освещаются перпендикулярно направлению наблюдения), даёт возможность обнаружить (но не «наблюдать» в буквальном смысле слова) чрезвычайно мелкие частицы, размеры которых лежат далеко за пределами разрешающей способности наиболее сильных М. С помощью иммерсионных ультрамикроскопов удаётся зарегистрировать присутствие в препарате частиц размером до 2*10^-9 м. Однако определить форму и точные размеры таких частиц с помощью этого метода невозможно: их изображения представляются наблюдателю в виде дифракционных пятен, размеры которых зависят не от размеров и формы самих частиц а от апертуры объектива и увеличения М. Т. к. подобные частицы рассеивают очень мало света, то для их освещения требуются чрезвычайно сильные источники света, например угольная электрическая дуга. Ультрамикроскопы применяются главным образом в коллоидной химии.

При наблюдении по методу тёмного поля в отражённом свете непрозрачные препараты (например, шлифы металлов) освещают сверху — через специальную кольцевую систему, расположенную вокруг объектива и называемую эпиконденсором.

Метод наблюдения в поляризованном

свете (поляризационная микроскопия) служит для микроскопического исследования препаратов, включающих оптически анизотропные элементы (или целиком состоящих из таких элементов). К ним относятся многие минералы, зёрна в шлифах сплавов, некоторые животные и растительные ткани и пр. Оптические свойства анизотропных микрообъектов различны в различных направлениях и по-разному в зависимости от этих объектов относительно наблюдения и плоскости света, падающего на них. можно вести как в

Метод наблюдения в инфракрасных (ИК) лучах также требует преобразования невидимого для глаза изображения в видимое путём его фотографирования или с помощью электроннооптического преобразователя. ИК микроскопия позволяет изучать внутреннюю структуру объектов, непрозрачных в видимом свете, например тёмных стекол, некоторых кристаллов и минералов и пр.

Микрофотографирование и видеосъёмка, т. е. получение с помощью М. изображений на светочувствительных слоях, широко применяется в сочетании со всеми другими методами микроскопического исследования. Оптическая система М. при микрофото- и микрокиносъёмке требует некоторой перестройки - - иной по сравнению с визуальным наблюдением фокусировки окуляра относительно изображения, даваемого объективом. Многие современные М. имеют постоянные (вмонтированные) устройства для микрофотографии, которые позволяют осуществлять такую перестройку и проектировать изображения препаратов на фотопластинку или плёнку (а большинство М. может быть с этой целью оснащено дополнительными принадлежностями). Микрофотография незаменима при документировании исследований, при изучении объектов в невидимых для глаза УФ и ИК лучах (см. выше), а также объектов со слабой интенсивностью свечения. Микрокиносъёмка важна при исследовании процессов, развёртывающихся во времени (жизнедеятельности тканевых клеток и микроорганизмов, роста кристаллов, протекания простейших химических реакций и т. п.).