2.1 Получение изображения без использования оптики

Камера-обскура

Камера-обскура — простейший вид устройства, позволяющего получать оптическое изображение объектов. Представляет собой светонепроницаемый ящик с отверстием в одной из стенок и экраном на противоположной стенке (Рис 2.0).

Лучи света, проходя сквозь отверстие диаметром приблизительно 0,5-5 мм, создают перевёрнутое изображение на экране. На основе камеры-обскуры были сделаны некоторые фотокамеры.

Рис. 2.0 Камера Обскура. Внешний вид и схема.

Камера-обскура не обеспечивает высокой резкости изображения. До определенного предела резкость изображения может быть повышена путем уменьшения диаметра отверстия, но при слишком сильном уменьшении начинают сказываться эффекты дифракции и изображение становится ещё более расплывчатым. Обскура характеризуется бесконечно большой глубиной резко изображаемого пространства. Говорить о фокусном расстоянии обскуры можно только условно. Под эквивалентным фокусным расстоянием такой камеры обычно понимают расстояние от отверстия до экрана f. Соотношение f/D определяется как и в объективе числом диафрагмы. Камера с f = 100 мм и диаметром отверстия D = 0,5 мм располагает числом диафрагмы равным 200. Увеличение отверстия до 1 мм уменьшает число до 100. Фактор выдержки[неизвестный термин] таким образом уменьшается до 25.

Из вышесказанного следует, что размер и качество получаемого изображения прямо пропорциональны диаметру отверстия.

Проекционный метод

В проекционных методах проводят зондирование (облучение) объекта с некоторого ракурса и получают его теневое изображение (проекцию). Чаще всего в качестве зондирующего используют рентгеновское излучение (рентгенография) рис. 2.1.

Рис. 2.1

Проекционные методы работают по принципу «один ракурс — один снимок». При этом никакие математические преобразования для получения изображения не проводятся, имеют место только методы пост-обработки (регулировка яркости-контраста, сегментация и т. д.). При увеличении количества ракурсов и, соответственно, количества снимков (многоракурсная съёмка), можно применить томографические алгоритмы реконтрукции и получить уже не теневые, а томографические изображения.

Разрешение получаемого изображения пропорционально размеру источника, основная задача состоит в создании как можно меньшего размера рентгеновского источника.

2.2 Микроскопия с использованием зеркал

Микроскоп – прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), не видимых невооружённым глазом. Различные типы микроскопов предназначаются для рассматривания, изучения и измерения микроструктуры органических клеток, бактерий, срезов тканей, микрокристаллов волокон, минералов, микросхем и других объектов, размеры которых меньше минимального разрешения глаза, равного 0,1 мм. Микроскоп даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,2 мкм. Обычно микроскоп имеет двухступенчатую систему увеличения, образованную объективом и окуляром и обеспечивающую увеличение до 1500 крат. В оптическую схему микроскопа входят также элементы, необходимые для освещения объекта.

Простой однолинзовый микроскоп (лупа с сильным увеличением) был известен уже в середине 15 века. А.Левенгук довёл увеличение простого микроскопа до 300 крат и впервые обнаружил и описал мир микроскопических организмов, в том числе бактерий. Изобретение сложного микроскопа, состоящего из двух положительных (собирающих) линз, относят к периоду между 1590 и 1610 и связывают с именем Г. Янсена. В 1610 Г.Галилей на основании изобретённой им зрительнойтрубы построил другой тип микроскопа, состоящий из собирательного объектива и рассеивающего окуляра. Долгое время сложные микроскопы из-за присущего им хроматизма уступали по качеству изображения простым.

Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра: , причём , , где Δ – расстояние от заднего фокуса объектива до переднего фокуса окуляра (так называемая оптическая длина тубуса), - фокусные расстояния объектива и окуляра. Обычно объективы микроскопа имеют увеличение от 6,3 до 100, а окуляры то 7 до 15; поэтому общее увеличение микроскопа лежит в пределах от 44 до 1500.

Разрешающая способность микроскопа – его способность давать раздельные изображения соседних точек объекта, ограничена дифракцией света, в результате которой изображение бесконечно малой светящейся точки имеет вид яркого пятна (диск Эри) концентрическими тёмными и светлыми кольцами постепенно убывающей яркости. Диаметр диска Эри, в котором сосредоточено 84% всей энергии точки, имеет величину

, (2.0)

где λ – длина волны света, А – числовая апертура.

Предел разрешения микроскопа определяется при сближении точек до такого расстояния, когда падение освещённости в промежутке между ними становится не заметным для глаза, и точки сливаются в одну. Установить однозначно этот предел трудно. Чаще всего для его определения используется критерий Рэлея, в соответствии с которым точки считаются разрешёнными, когда расстояние между ними равно радиусу диска Эри . При этом в случае самосветящихся некогерентных излучателей освещённость в промежутке между точками составляет ~ 80% от освещённости в максимуме.

Типы микроскопов определяются либо областью применения, либо методом исследования. В зависимости от круга решаемых задач микроскопы могут быть учебными, рабочими, лабораторными, исследовательскими универсальными. В зависимости от метода исследования микроскопы можно разделить на биологические (люминесцентные, инвертированные) и металлографические (поляризационные).

Биологические микроскопы предназначены для исследований в микробиологии, гистологии, цитологии и т.д., а так же используются для наблюдения прозрачных объектов в химии, физике минералогии и т.п.

Металлографические микроскопы используются для исследования микроструктуры металлов и других непрозрачных объектов.

Структуру любого объекта (препарата) можно различить, если разные его частицы по-разному поглощают и отражают свет либо отличаются одна от другой (либо от среды) показателями преломления. Эти различия обуславливают разницу амплитуд или фаз световых волн, прошедших через разные участки препарата от чего, в свою очередь, зависит контрастность изображения. В зависимости от свойств изучаемого объекта и задач исследования существуют различные методы наблюдения, дающие несколько отличающиеся изображения объекта.