Конструкция микроскопа

Микроскоп имеет три основные системы — осве­тительную систему, штатив микроскопа, включающий предметный сто­лик и систему построения изображения.

Источник света и конденсор. Осветительная система должна удовлетворять двум противоречивым тре­бованиям. С одной стороны, изучаемая область должна быть равномерно освещена, чтобы все детали микроструктуры находились в одинаковых ус­ловиях. С другой стороны, падающий свет нужно сфокусировать так, что­бы отраженный сигнал имел достаточную интенсивность для рассматрива­ния и фотографирования.

Источник света должен быть достаточно ярким. Раньше в качестве ис­точника света использовали углеродную дугу, которая является прекрасным, хотя и немного нестабильным источником белого света. В совре­менных микроскопах отраженного света в качестве источника света используются галогенные лампы мощностью 35 или 100 Вт.

В микроскопах проходящего и отраженного света вблизи источника света располагается линза или система линз, называемая "коллектором". Коллектор увеличивает размер изображения нити лампы до раз­мера выходного зрачка объектива, расположенного в задней фокальной плоскости объектива. В дальней­шем для выполнения условия Аббе, связанного с равенством апертур осветительного пучка и объектива, используется оптическая система линз, называемая конденсором. Конденсор имеет регулируемую диа­фрагму.

Апертурная диафрагма осветительной системы ограничивает коли­чество света, поступающего от источника и попадающего на образец. Кон­траст изображения можно повысить, закрывая апертурную диафрагму кон­денсора. При этом, однако, резко уменьшается яркость изображения, и мо­гут появиться артефакты, связанные с дифракционными явлениями.

Вто­рая диафрагма, называемая полевой, помещается в плоскости изображения объектива. Она расположена в осветительной ветви микроскопа отражающего света, снижает отражение света и устраняет нежелательный световой фон (так называемую засветку) изображения. Размер диафрагмы объектива должен регулироваться в соответствии с размером рассматривае­мой области, зависящим от степени увеличения микроскопа. Апертурная и полевая диафрагмы обычно представляют собой ирисовые диафрагмы, диа­метр которых можно изменять в широких пределах.

Во многих микроскопах отраженного света положение осветительной системы с лампой можно установить так, чтобы он начал работать как ми­кроскоп проходящего света. Это очень удобно для исследования тонких об­разцов биологических тканей, минералов, частично кристаллических по­лимеров и тонких полупроводниковых пленок. На рис. 4.2. представлены основные системы современного оптического микроскопа.

Выбор объектива зависит от ти­па образца и способа наблюдения.

Основными характеристиками объекти­ва являются числовая апертура NА) и увеличение, которое всегда можно найти на его корпусе.

Числовая апертура  величина, используемая для выражения разрешающей способности оптической системы объектива:

NА= n sin , (4.1.)

где 2 это плоская мера пространственного угла (угловая апертура), в который заключены все лучи, испускаемые какой-то точкой А объекта и участвующие в формировании ее изображения (максимально возможный угол 2 = 140⁰). n - показатель преломления среды, в которой находится объект. Таким образом, предельно возможная числовая апертура NА= 0,94.

Числовая апертура связана с фокусным расстоянием F линзы: обычно NА равна половине обратной величины F. Например, F1,0= NА0,5.

Различают три группы объективов:

 слабые с NА до 0,3;

 средние с NА до 0,8;

 сильные, которые в свою очередь подразделяют на сухие (с NА до 0, 95) и иммерсионные (с NА более 0, 95).

1. Осветитель; 2. Ирисовая полевая диафрагма; 3. Зеркало; 4. Ирисовая апертурная диафрагма; 5. Конденсор; 6. Образец; 6'. Увеличенное действительное промежуточное изображение образца, образуемое объективом; 6''. Увеличенное мнимое окончательное изображение препарата, наблюдаемое в окуляре; 7. Объектив; 8. Окуляр

Рис.4.2. Основные системы оптического микроскопа отражённого света

Фокусные расстояния объективов изменяются от 20-15 мм для слабых объективов до 4-2 мм – для сильных объективов.

В зависимости от степени коррекции, объективы обычно классифицируются на ахроматы, флюориты и апохроматы.

Ахроматический объектив корректирует продольную хроматическую аберрацию в желто-зеленом и красном диапазонах длин волн, а также исправляет сферическую абберацию в отношении желто-зеленого диапазона спектра. Из-за ограниченной коррекции ахроматы не обеспечивают правильной цветопередачи.

Апохроматические объективы отличаются более высокой степенью коррекции: продольная хроматическая абберация исправлена для всей видимой части спектра световых лучей. Сферическая абберация исправлена для зеленых, синих и фиолетовых лучей, наиболее важных для фотографирования объекта. Апохроматы дают наиболее резкое и правильное в плане цветопередачи изображение.

Характеристики объектива наносятся гравировкой на корпус объектива. Например, "планахромат 60/1.40 масло 160/0.17", означает 60 крат увеличения/1.40 числовая апертура, планапохроматический объектив разработан для использования с масляной иммерсией между фронтальным элементом объектива и препаратом, покрытого покровным стеклом толщиной 0.17 мм, и использует механический тубус длиной 160 мм. Другим примером мог быть «эпиплан - неофлюар» 50х/0.85 °°/0, который расшифровывается как "план флюорит" объектив, разработанный для epi-освещения (то есть освещение поверхности образца через объектив, а не через отдельный конденсор) с увеличением 50х и 0.85 числовой апертурой, который должен использоваться в воздухе, без покровного стекла, и (оптической) длиной тубуса на бесконечность. Объективы серии "коррекция на бесконечность" требуют использования специальной тубусной линзы, которая устраняет остаточную латеральную аберрацию и приводит лучи в фокус в плоскость изображения.

Ахроматы обычно не определены как таковые, и для описания используют различные другие коды или цветовые коды в объективах микроскопа. Большинство объективов разрабатываются, чтобы использоваться с определенной группой окуляров или тубусных линз, которые устанавливаются на определенных расстояниях для устранения остаточных ошибок. Например, компенсация окуляров используется при работе с апохроматами и другими высокоапертурными объективами, чтобы устранить боковую хроматическую аберрацию и улучшить плоскостность поля.

Не только разрешение, но и яркость изображения зависит от числовой апертуры объектива. Яркость изображения (количество света, приходя­щегося на единицу площади) уменьшается обратно пропорционально ква­драту увеличения объектива.

Чем больше апертурный угол (угол конуса) объектива, тем большее количество света он собирает и тем более четкое изображение объекта исследования. Числовую апертуру NА можно значительно увеличить, используя к иммерсионным объективам. Переднюю поверхность иммерсионного объектива погружают в инертную жидкость, имеющую более высокий показатель преломления, чем воздух. Чаще всего используют кедровое масло высокой степени очистки, имеющее показатель преломления 1,51. Таким образом, удается увеличить числовую апертуру:

NА= 1,51*0,94= 1,43 и разрешающую способность микроскопа.

Разрешающая способность микроскопа  – это расстояние между двумя светящимися точками объекта исследования, которые хорошо различимы. Разрешающая способность микроскопа находится в диапазоне от 0,5/NA до /NA.

Поскольку длина волны, используемая в световых микроскопах, составляет величину 0,55 мкм (это длина волны желто-зеленой части спектра, наилучшим образом различимая человеческим глазом), то:

= 0,5*0,55/1,43 0,55/1,43 =0,20,4мкм.

Разрешающую способность можно также повысить, уменьшив длину волны . Для этого в микроскопах предусмотрено наличие апертурной диафрагмы, которая ограничивает пучок лучей, входящих в систему, т.е. ограничивает длину волны светового пучка, а также полевой диафрагмы, которая ограничивает размер поля зрения. При смене объектива обе эти диафрагмы приходится менять.

Даль­нейшее увеличение построенного объективом изображения осуществляется за счет окуляра и дополнительных линз, помещаемых между объективом и окуляром. Таким образом, увеличение микроскопа создается, благодаря увеличениям всех линз, составляющих оптическую схему:

N_м= N_об N_ок N_{доп.линз} (4.2.)

В современных микроскопах N_об =100-150х; N_ок = 20-24х; N_{доп.линз} =1-1,6х.

Универсальный инвертированный металлографический микроскоп Axiovert 200 MAT (фирмы Carl Zess, Германия, рис.4.2.) позволяет получить изображение до 1600х с высокой разрешающей способностью. Микроскоп имеет стационарную фотокамеру для цифровой съемки микроструктур, а также пакет прикладных программ Axiovision, позволяющий проводить количественный анализ структурных составляющих.

Рис.4.3.