Лабораторные приборы.
Лабораторные оптико-механические приборы образуют самую обширную группу приборов, различных как по назначению, так и по принципу действия оптических систем.
В первом разделе даны описания и расчётные соотношения основных оптических систем (микроскоп, зрительная труба, коллиматор, автоколлиматор, интерферометр и др.), образующих элементарную базу многих оптико-механических приборов, а также имеющих самостоятельное применение.
С таких же общих позиций рассмотрены отсчётные устройства лабораторных приборов.
В особую группу выделены спектральные приборы, теория которых имеет специфику.
Основное внимание уделено оптико-механическим приборам, которые находят самое широкое применение в научных исследованиях и производстве при проведении высокоточных измерений линейных и угловых величин, формы и шероховатости поверхностей, качества оптического стекла, фотометрических величин и др.
Освещены современные достижения и пути дальнейшего совершенствования лабораторных оптико-механических приборов.
Микроскопы.
Основные хаактеристики микроскопа.
Микроскоп является сложной системой, предназначенной для наблюдения близко расположенных объектов с большим увеличением и большой разрешающей способностью.
На расчётной (эквивалентной) схеме микроскопа (рис. 1.1) показано взаимное расположение главных плоскостей и фокусов объектива, окуляра и всего микроскопа.
Объект (препарат) у находится на некотором расстоянии от переднего фокуса объектива. Объектив образует действительное увеличенное и перевёрнутое изображение у´ препарата в плоскости, совпадающего с передней фокальной плоскостью окуляра.
Окуляр действует подобно лупе и образует вторично увеличенное мнимое и прямое изображение у", удалённое в бесконечность.
Это означает, что препарат находится в переднем фокусе сложной лупы-микроскопа. В результате микроскоп даёт сильно увеличенное перевёрнутое изображение препарата.
На эквивалентной схеме даны обозначения величин, входящих в расчётные формулы микроскопа. Расстояние от заднего фокуса окуляра, обозначенное Δ, называют оптической длиной тубуса микроскопа.
Под видимым увеличением микроскопа понимают отношение размера изображения препарата на сетчатке глаза, образованное при наблюдении через микроскоп, к размеру изображения того же препарата, полученному на сетчатке при наблюдении невооружённым глазом с расстояния наилучшего зрения:
Это наиболее употребительное выражение для определения общего увеличения микроскопа, которое равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра.
Светосилу микроскопа определяет конус лучей, который выходит из осевой точки препарата и опирается на наименьшую оправу или диафрагму, называемую апертурной диафрагмой. Половина угла при вершине этого конуса называется апертурным углом σА (см. рис. 1.1). Величина А=n sin σА называется числовой апертурой.
Изображение апертурной диафрагмы в пространстве предметов называется входным зрачком, а в пространстве изображений- выходным зрачком. В микрообъективах выходным зрачком служит оправа одной из последних линз или специальная диафрагма. В обоих случаях можно считать, что выходной зрачок микрообъектива Dвых. об. Совпадает с его задней фокальной плоскостью (см.ри.1.1), а входной зрачок объектива (и всего микроскопа) находится в бесконечности. Выходной зрачок микроскопа Dвых есть изображение выходного зрачка объектива, образованное окуляром.
Выходной зрачок микроскопа связан с увеличением и числовой апертурой следующей зависимостью:
Из этой формулы следует, что микроскопы большого увеличения имеют малые выходные зрачки, значительно меньше зрачка глаза. Например, при выходной зрачок Dвых=0,5 мм. Это значит, что для получения достаточной освещённости на сетчатке глаза препарат должен быть довольно сильно освещён. Кроме того, дифракция света на структурных неоднородностях глаза в пределах малого зрачка ухудшает качество изображения.
Поле зрения микроскопа ограничивает полевая диафрагма Dп, которая установлена в плоскости промежуточного изображения (см. рис. 1.1). Линейное поле зрения определяется величиной предмета, изображение которго заполняет полевую диафрагму. Это поле равно
Диаметр полевой диафрагмы зависит от качественного поля зрения окуляра 2ω´ и его фокусного расстояния. Для средних окуляров этот диаметр составляет 13…18 мм. Благодаря наличию полевой диафрагмы края изображения в микроскопе резко ограничены, а плоскость изображения равномерно освещена (нет виньетирования наклонных пучков).
Глубина резкого изображения складывается из трёх величин: аккомодационной, геометрической и волновой.
В процессе наблюдения объёмного предмета глаз непрерывно аккомодирует и просматривает разные по глубине участки предмета. Создаётся впечатление, что весь предмет виден одновременно резким. Если глаз аккомодирует с бесконечности до 250 мм, то резкими видны детали предмета, лежащие между передней фокальной плоскостью микроскопа и плоскостью, удалённой от фокуса на расстояние Так. Эта глубина предмета Так и называется аккомодационной глубиной:
Пусть глаз аккомодирован на бесконечность. Тогда на сетчатке глаза резко изображены только те точки предмета, которые находятся в передней фокальной плоскости микроскопа. Точки, находящиеся дальше или ближе фокальной плоскости, изображается на сетчатке в виде кружочков рассеяния. Если угловой размер кружков рассеяния не превышает разрешающей способности глаза ε, то соответствующие точки предмета кажутся резкими, а расстояние между ними называют геометрической глубиной:
Образование изображения предмета световыми пучками есть сложный процесс интерференции лучей в некотором пространстве, а не одной плоскости, причём этот процесс сопровождается обязательным ограничение пучков и проявлением дифракции света. Волновую глубину считают равной
Окончательно полная глубина резкого изображения
Разрешающей способностью микроскопа называют наименьшее линейное расстояние δ между двумя точками объекта, которые видны в микроскоп раздельно. Разрешающая способность зависит от способа освещения, длины волны λ и апертуры объектива. Если апертура осветителя равна апертуре объектива, то разрешающая способность достигает значения
Нормальным увеличением микроскопа называют такое увеличение, при котором его разрешающая способность полностью используется глазом. Нормальное увеличение микроскопа связано с разрешающей способностью микроскопа δ и разрешающей способностью глаза ε соотношением:
Подставив в формулу (1.9) значение и ε=0,0003 рад, а также приняв λ=0,6 мкм, получим
Увеличение меньше не даёт возможности различить те детали объекта, которые разрешить объективом, но слишком мелки для разрешения глазом (предел разрешения определяет глаз).
Увеличение больше не позволяет выявить новых деталей объекта (предел разрешения определяет объектив), но позволяет наблюдать эти детали под углом больше 1´. Такое повышения угла ε до 2…4´ следует считать полезным, так как у большинства биологических препаратов контраст мал и разрешающая способность ε=1´ в таких условиях не достигается. По этой причине полезным увеличением микроскопа считается такое значение, которое в 2…4 раза превышает нормальное:
Увеличение больше 1000 А не только бесполезно, но скорее вредно, так как при нём выходной зрачок микроскопа настолько мал, что качество изображения заметно ухудшается.