16. Оптическая схема. Видимое увеличение, апертура, поле зрения. Характеристики микрообъективов и окуляров.
Микроскоп предназначен для наблюдения мелких объектов с большим увеличением и с большей разрешающей способностью, чем дает лупа. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей: объектива и окуляра. Объектив микроскопа образует действительное увеличенное обратное изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра. Окуляр действует как лупа и образует мнимое изображение на расстоянии наилучшего видения. По отношению ко всему микроскопу рассматриваемый предмет располагается в передней фокальной плоскости.
Общее увеличение микроскопа определяется
как произведение увеличения объектива
на увеличение окуляра:
,
где
,
,
Δ – характеристика микроскопа (оптический
интервал), как првило Δ=z’об.
Если известно фокусное расстояние всего
микроскопа, то его видимое увеличение
можно определить по формуле:
.
Линейное поле микроскопа 2у ограничивается
полевой диафрагмой, которая расположена
в передней фокальной плоскости окуляра.
Диаметр этой диафрагмы обычно определяется
исходя из углового поля окуляра ω':
.
АД обычно располагается между последней линзой микрообъектива и задней его плоскостью. Иногда она расположена в задней фокальной плоскости объектива, тогда входной зрачок в бесконечности и мы имеем телецентрический ход главного луча в пространстве предметов. Такое расположение рационально в измерительных микроскопах. Также АД может совпадать с оправой последней линзы Такое расположение АД дает мнимый входной зрачок. Выходным зрачком является изображение АД через окуляр.
Диаметр выходного зрачка микроскопа
вычисляется следующим образом:
,
где А-передняя апертура микроскопа.
Положение АД обычно задано => известно zpок, а z’pок=-f’ок2/zpок
t’=f’ок+z’pок-положение зрачка относительно задней главной плоскости окуляра.
S’p=S’f+z’pок –положение зрачка относительно последней поверхности.
S’f зависит от конструкции окуляра.
Диаметр выходного зрачка микроскопа обычно немного меньше диаметра зрачка глаза (0.5-1 мм). При наблюдении в микроскоп зрачок глаза нужно совмещать с выходным зрачком микроскопа.
Одной из важнейших характеристик
микроскопа является его разрешающая
способность. Согласно дифракционной
теории Аббе, линейный предел разрешения
микроскопа, то есть минимальное расстояние
между точками предмета, которые
изображаются как раздельные, зависит
от длины волны и числовой апертуры
микроскопа:
.
Предельно достижимую разрешающую
способность оптического микроскопа
можно достичь, исходя из выражения для
апертуры микроскопа (А = nsinα).
Если учесть, что максимально возможное
значение синуса угла – единичное
(А=nsinα=1), то для средней
длины волны λ=0.5 мкм можно вычислить
разрешающую способность микроскопа:
мкм.
Из выражения следует, что повысить разрешающую способность микроскопа можно двумя способами: либо увеличивая апертуру объектива, либо уменьшая длину волны света, освещающего препарат.
В визуальных микроскопах необходимо учитывать разрешающую способность глаза. Что бы глаз использовал всю разрешаемую микроскопом структуру необходимо иметь соответствующее видимое увеличение.
ψ’≥ψ’гл
глаз будет воспринимать раздельно точки в передней фокальной плоскости раздельно , если угловое расстояние между ними ψ’ будет не меньше углового предела разрешения глаза.
ψ’=σ/f’м=(λ/2А)*(Гм/250)
Отсюда получаем что увеличение микроскопа должно быть:
Гм≥500А/(λ ψ’гл).
По этой формуле определяется минимальное видимое увеличение, при котором глаз будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа. Это увеличение называется полезным.
Во многих случаях выходной зрачок микроскопа 0,5-1 мм, что приводит к увеличению предела разрешения глаза до 2’-4’. В видимой области спектра при λ=546мкм и ψ’гл=2’-4’ полезное увеличение микроскопа будет лежать в пределах (500-1000)А. При увеличении Гм<500А микроскоп не позволит различать глазу все тонкости структуры предмета, которые изображаются МОБ как раздельные при данной апертуре. Если Гм>1000А –нецелесообразно, т.к. нельзя выявить более мелкую структуру предмета по сравнению с той, которая разрешается при полезном увеличении.
Характеристики объективов и окуляров микроскопа.
Классификация микрообъективов:
по состоянию коррекции аберраций:
а)ахроматы
б)апохроматы
в)планохроматы –исправлена кривизна изображения.
2. иммерсионные или безиммерсионные
3. по особенностям оптической схемы: линзовые, зеркальные, зеркально-линзовые
4. по длине тубуса микроскопа (длина гостирована)
Основные характеристики микрообъективов:
линейное увеличение βоб
апертура А
Оба эти параметра гравируются на самом объективе.
Существуют микроскопы с тубусом ∞, когда предметная плоскость находится в передней фокальной плоскости микрообъектива, т.о. после МОБ будут идти параллельные лучи, и что бы их собрать в фокусе окуляра используется тубусная линза(склейка). Причем задний фокус линзы совпадает с передним окуляра, а расчет такой линзы ведется как для оборачивающей системы. На самом же объективе гравируется фокусное расстояние.
Диапазон βи А для МОБ большой: β=1-120х, А=0,01-1,4.
Часто используются объективы с β=5-10х, тогда испльзуются обычные ОБ ахроматы из двух двухлинзовых склеенных компонентов. Для них А≈0,2. Увеличение апертуры требует усложнения конструкции(между компонентами вводится фронтальная плоско-выпуклая линза).
Для создания апохроматов используются особые сорта стекол, обеспечивающие исправление вторичного спектра.
Планохроматы. Их отличительной особенностью является исправление кривизны изображения посредством использования линзы значительной ширины (биаплпнатическая линза), линзы Смита.
Существуют и ОБ монохроматы работающие на 1-й длине волны λ<350нм. Такие ОБ не требуют ахроматизации. Используются в УФ для получения высокого разрешения. Высокая степень коррекции аберраций достигается введением апланатических менисков и линз, рассчитанных на минимум сферической аберрации.(в основном кварцевое стекло).
Зеркальные и зеркально-линзовые объективы часто используются в ИК области. (ИК микроскопия, высокотемпературная металлургия).
В микроскопии наиболее часто используются следующие окуляры:
1. Гюйгенса
2. компенсационные
3. Кельнера
4. симметричные
5. гомалы
6. ортоскопические
Видимое увеличение окуляров как правило составляет 4-30х, угловое поле 40-70°, что соответствует линейному полю 24-16 мм.
Для окуляра Гюйгенса это 4-15х при поле 30-40°.(обладает апохроматической коррекцией хроматизма увеличения).
Ортоскопические применяются совместно с ОБ-ахроматами средних апертур. Характеристики: 15-30х, 50°. Хорошо исправлен хроматизм увеличения, астигматизм и дисторсия.
Компенсационные применяются в сочетании с ОБ апохроматами, планохроматами. Они компенсируют хроматизм увеличения используемых с ними объективов.
Гомалы –отрицательные окуляры. Применяются для проецирования изображения даваемого объективом на фотослой.