Bevezetés az optikai mikroszkóp főbb alkalmazási területeibe
Az optikai mikroszkóp ősi és fiatal tudományos eszköz. Születése óta 300 éves története van. Az optikai mikroszkóp számos felhasználási területtel rendelkezik. Például a biológiában, kémiában, fizikában, csillagászatban stb. egyes tudományos kutatómunkákban elválaszthatatlan a mikroszkóptól.
A különböző felhasználási célok szerint a mikroszkópokat nagyjából négy kategóriába sorolhatjuk: biológiai mikroszkópok, metallográfiai mikroszkópok, sztereó mikroszkópok és polarizáló mikroszkópok. Ahogy a név is sugallja, a biológiai mikroszkópokat elsősorban a biomedicinában használják, a megfigyelési objektumok többnyire átlátszó vagy áttetsző mikrotestek; a metallográfiai mikroszkópokat elsősorban átlátszatlan tárgyak felületének megfigyelésére használják, mint például az anyagok metallográfiai szerkezete és felületi hibái; míg a sztereoszkópikus mikroszkópok felnagyítják a mikroobjektumokat, addig az emberi szemhez képest azonos irányú tárgyakat és képeket is készítenek, és mélységérzettel rendelkeznek, ami összhangban van az emberek hagyományos vizuális szokásaival; A polarizáló mikroszkópok a polarizált fény különböző anyagok átbocsátási vagy reflexiós jellemzőit használják fel a különböző mikroobjektum-komponensek megkülönböztetésére. Ezen kívül néhány speciális típus is felosztható. Például a fordított biológiai mikroszkóp vagy a tenyésztési mikroszkóp olyan biológiai mikroszkóp, amelyet főként a tenyészet tenyészedény alján keresztül történő megfigyelésére használnak; a fluoreszcens mikroszkóp bizonyos anyagok jellemzőit felhasználva meghatározott rövidebb hullámhosszúságú fényt nyel el, és meghatározott hosszabb hullámhosszú fényt bocsát ki, hogy feltárja ezen anyagok létezését és meghatározza tartalmukat; egy összehasonlító mikroszkóp képes egymás mellé vagy egymásra helyezett képeket készíteni két objektumról ugyanabban a látómezőben, hogy összehasonlítsa a két objektum hasonlóságait és különbségeit.
A hagyományos optikai mikroszkópok főként optikai rendszerekből és azokat tartó mechanikai szerkezetekből állnak. Az optikai rendszerek objektívlencséket, okulárokat és gyűjtőlencséket tartalmaznak, amelyek mindegyike bonyolult nagyító, amely különféle optikai üvegekből készül. Az objektív felnagyítja a mintát, és nagyítását a Mobject a következő képlettel határozza meg: Mobject =Δ∕f'objektum, ahol f'objektum az objektív gyújtótávolsága, Δ pedig a távolságot jelenti. az objektív és a szemlencse között. A szemlencse ismét felnagyítja az objektív lencséje által alkotott képet, így az emberi szem előtt 250 mm-re virtuális képet alkot megfigyelésre. A legtöbb ember számára ez a legkényelmesebb megfigyelési pozíció. A szemlencse nagyítása M=250/f' eye, ahol f' a szemlencse gyújtótávolsága. A mikroszkóp teljes nagyítása az objektívlencse és a szemlencse szorzata, azaz M=M tárgy*M szem=Δ*250/f' szem *f; tárgy. Látható, hogy az objektív és az okulár gyújtótávolságának csökkentése növeli a teljes nagyítást, ami a kulcsa a baktériumok és más mikroorganizmusok mikroszkópos észlelésének, és ez a különbség is a közönséges nagyítóktól.
Tehát elképzelhető-e az f' objektum f' háló korlátlan csökkentése a nagyítás növelése érdekében, hogy finomabb tárgyakat lássunk? A válasz nem! A képalkotáshoz használt fény ugyanis alapvetően egyfajta elektromágneses hullám, így a terjedési folyamat során elkerülhetetlenül fellépnek diffrakciós és interferenciajelenségek, mint ahogy a vízfelszínen a mindennapi életben is látható hullámok körbejárhatnak akadályokba ütközve. , és két vízhullámoszlop erősítheti vagy gyengítheti egymást, amikor találkoznak. Amikor egy pont alakú világító tárgyból kibocsátott fényhullám belép az objektívbe, a lencse kerete akadályozza a fény terjedését, ami diffrakciót és interferenciát eredményez. Az objektíven való áthaladás után már nem tud egy ponton összegyűlni, hanem egy bizonyos méretű fényfoltot képez, a perifériáján pedig gyenge és fokozatosan gyengülő intenzitású fénygyűrűk sorozata található. A központi fényes foltot Airy lemeznek nevezzük. Ha két fénykibocsátó pont közel van egy bizonyos távolsághoz, a két fényfolt addig fedi egymást, amíg nem lehet felismerni két fényfoltként. Rayleigh ítéleti szabványt javasolt, arra gondolva, hogy ha a két fényfolt középpontja közötti távolság egyenlő az Airy korong sugarával, akkor a két fényfolt megkülönböztethető. Számítás után a két fénykibocsátó pont távolsága ekkor e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA A képletben In a fény hullámhossza, az emberi szem által fogható fényhullám hullámhossza pedig körülbelül 0.4-0,7um, n pedig annak a közegnek a törésmutatója, ahol a fénykibocsátó pont található. Például levegőben n≈1 , vízben n≈1,33 és A a lumineszcens pont nyitási szögének fele az objektív keretéhez képest, az NA-t pedig az objektívlencse numerikus apertúrájának nevezzük. A fenti képletből látható, hogy az objektívlencse által megkülönböztethető két pont közötti távolságot a fény hullámhossza és a numerikus apertúra korlátozza. Mivel a legérzékenyebb emberi szem hullámhossza körülbelül 0,5 um, és az A szög nem haladhatja meg a 90 fokot, a sinA mindig kisebb, mint 1. A rendelkezésre álló fényáteresztő maximális törésmutatója médium körülbelül 1,5, tehát e értéke mindig nagyobb, mint 0.2um, ami az optikai mikroszkóppal felbontható minimális határtávolság. Nagyítsa fel a képet mikroszkóppal. Ha meg szeretné növelni az objektívlencsével felbontható e tárgypont távolságot egy bizonyos NA értékkel, amely elegendő ahhoz, hogy az emberi szem feloldja, akkor a Me Greater vagy egyenlő 0,15 mm-re van szüksége, ahol { A {29}},15 mm az a minimális távolság két mikroobjektum között, amelyeket az emberi szem meg tud különböztetni a szeme előtt 250 mm-re, tehát M nagyobb vagy egyenlő, mint (0,15∕0,61)NA ≈500 N.A. Elegendő megduplázni a nagyítást, azaz 500N.A. Kisebb vagy egyenlő M Kisebb vagy egyenlő 1000N.A, ami a mikroszkóp teljes nagyításának ésszerű választási tartománya. Bármilyen nagy is a teljes nagyítás, értelmetlen, mert az objektív numerikus rekeszértéke korlátozta a minimális feloldható távolságot, és a nagyítás növelésével lehetetlen megkülönböztetni a kisebb tárgyrészleteket.
A képalkotás kontrasztja az optikai mikroszkópok másik kulcskérdése. Az úgynevezett kontraszt a képfelület szomszédos részei közötti fekete-fehér kontrasztra vagy színkülönbségre utal. Az emberi szem nehezen tudja megítélni a 0.02 alatti fényerő különbséget, de valamivel érzékenyebb a színkülönbségre. Egyes mikroszkóp objektumok, például biológiai minták, a részletek között nagyon csekély fényerő-különbség mutatkozik, és a mikroszkóp optikai rendszerének tervezési és gyártási hibái tovább csökkentik a kép kontrasztját és megnehezítik a megkülönböztetést. Ekkor az objektum részletei nem láthatók tisztán.
Az évek során az emberek keményen dolgoztak a mikroszkóp felbontásának és képalkotási kontrasztjának javításán. A számítástechnika és az eszközök folyamatos fejlődésével az optikai tervezés elmélete és módszerei is folyamatosan fejlődtek. A nyersanyagteljesítmény javításával, a technológia és a detektálási módszerek folyamatos fejlesztésével, valamint a megfigyelési módszerek innovációjával párosulva az optikai mikroszkóp képminősége megközelítette a diffrakciós határ tökéletességét. Az emberek mintafestést, sötét mezőt, fáziskontrasztot, fluoreszcenciát, interferenciát és polarizált fényt fognak használni. Egymás után jelentek meg a képalkotó műszerek, amelyek bizonyos szempontból kimagasló teljesítményt nyújtanak, de olcsóságban, kényelemben, intuícióban továbbra sem vehetik fel a versenyt az optikai mikroszkóppal, és különösen alkalmasak élő szervezetek kutatására. Az optikai mikroszkópok továbbra is szilárdan elfoglalják saját pozíciójukat. Másrészt a lézerrel, számítógéppel, új anyagtechnológiával és információs technológiával kombinálva az ősi optikai mikroszkóp megfiatalít és lendületes életerőt mutat. A digitális mikroszkópok, a lézeres konfokális pásztázó mikroszkópok, a közeli pásztázó mikroszkópok, a kétfotonos mikroszkópok és a különféle új funkciójú, vagy a különféle új környezeti feltételekhez alkalmazkodó műszerek végtelen folyamban jelennek meg, ami tovább bővíti az optikai mikroszkópok alkalmazási területét, példák. Milyen izgalmasak a marsjárókról feltöltött sziklaalakzatokról készült mikroszkopikus képek! Teljesen elhihetjük, hogy az optikai mikroszkóp frissített hozzáállásával az emberiség hasznára válik.
