A biológiai mikroszkópok optikai tulajdonságai
A mikroszkóp optikai teljesítményét a következő nyolc alapvető optikai paraméter (vagy paraméterek) határozza meg:
(1) Numerikus rekesznyílás
A numerikus rekesznyílást tüköraránynak is nevezik. A megfigyelt tárgy és a lencse közötti közeg n törésmutatójának és az objektívlencse szögének felének szinuszértékének szorzatára vonatkozik. Használja az NA-t vagy az A-t. NA=nsin( /2)
Az úgynevezett tükör szájszöge az objektív lencse elülső lencséjébe belépő megfigyelt pont peremsugarai közötti szöget jelenti.
A numerikus apertúra az objektívlencse és a kondenzátorlencse fontos paramétere, és szorosan összefügg a mikroszkóp egyéb optikai paramétereivel. Általában azt remélik, hogy minél nagyobb, annál jobb. A képletből látható, hogy a numerikus apertúra növelésének két módja van, az egyik a tükör szájszögének növelése, a másik pedig az objektívlencse és a próbatest közötti törésmutató növelése.
Az előbbi módszer alkalmazásakor a minta és a tárgy a lehető legközelebb tartható. De nem számít, milyen közel van, mindig kevesebb, mint 180 fok. Így a sin( /2) is kisebb, mint 1. A levegő törésmutatója n=1. Ezért a száraz objektívlencse numerikus rekeszértéke nsin( /2) mindig kisebb, mint 1, általában 0,04 és 0,95 között van.
Az utóbbi módszer alkalmazásakor magasabb törésmutatójú közeget lehet hozzáadni az objektívlencse és a minta közé. Például a cédrusolaj törésmutatója n=1,515. Ha cédrusolajat használunk közegként, a numerikus rekeszérték több mint 1,2-t is elérhet. Ezért bizonyos esetekben olajos szemüveget használnak. Jelenleg az olajlencsével elérhető maximális numerikus rekeszérték 1,4.
(2) Határozat
A felbontást megkülönböztetési aránynak vagy feloldóképességnek is nevezik. Az úgynevezett felbontás arra utal, hogy a mikroszkóp képes megkülönböztetni a vizsgált tárgy finom szerkezetét. Ez fordítottan arányos a felbontási távolsággal. A felbontási távolság a két megkülönböztethető tárgypont közötti minimális távolságra vonatkozik. Minél kisebb a felbontási távolság, annál nagyobb a mikroszkóp felbontása. Ha két tárgypont távolsága kisebb, mint a felbontási távolság, akkor a két pontot összetévesztjük egy ponttal, és a szerkezete nem látható tisztán. A mikroszkóp felbontását az objektív lencse határozza meg. A szemlencsék csak nagyítanak, és nem növelik a mikroszkóp felbontását.
Normál központi megvilágítás esetén az objektívlencse d felbontási távolságát a következő képlet határozza meg.
d=(λ/2)N.A.
A képletben: d a felbontási távolságot jelöli, mértékegysége mikron, λ a megvilágítási fény hullámhosszát, az egység szintén mikron.
Látható fényben a legnagyobb fényerejű és az emberi szemre legérzékenyebb hullámhossz {{0}},55 μm, az objektívlencse maximális NA-ja pedig 1,4. A fenti képletbe behelyettesítve d körülbelül 0,2 μm. Azaz egy közönséges optikai mikroszkóppal a felbontási távolság határa 0,2 μm központi megvilágítás esetén. Ez azt jelenti, hogy a közönséges optikai mikroszkópok nem tudnak különbséget tenni két 0,2 μm-nél kisebb tárgy között.
Ultraibolya fény segítségével a megvilágító fény hullámhossza csökkenthető, így a felbontási távolság elérheti a 0,1 μm-t. De az ultraibolya sugarakat az emberi szem nem látja. Csak fényképezés után lehet megfigyelni.
Az elektronáramlás hullámhossza csak 0,00387 nm. Az elektronlencse vagy mágneses lencse segítségével az elektronok áramlását szabályozzák, az elektronmikroszkóp felbontási távolsága akár néhány tized nanométer is lehet. Az atomok szerkezetének megfigyelésére használható.
(3) Nagyítás
A mikroszkóp nagyítása megegyezik az objektívlencse és a szemlencse nagyításának szorzatával. Elvileg a nagyítás nagyon nagyra tehető. Ha azonban a minta részleteit az objektív nem tudja feloldani, bármilyen nagy a nagyítás, az értelmetlen. Elméletileg az a következtetés vonható le, hogy a mikroszkóp legmegfelelőbb nagyítása (úgy nevezett effektív nagyítás, amelyet M effektíven ábrázol) az objektívlencse numerikus apertúrájának 500-1000-szerese. Vagyis 500N.A. Kisebb vagy egyenlő, mint M effektív Kisebb vagy egyenlő, mint 1000N.A.
Az effektív nagyítási tartományon belül a szem fáradság nélkül hosszú ideig képes megfigyelni. Ha a nagyítás kisebb, mint 500 NA, nehéz lesz megfigyelni. Ha nagyobb, mint 1000 N.A., az rontja a képminőséget, sőt irreális képet eredményez. Ezért a nagyítás 1000 N.A. érvénytelen nagyításnak nevezzük.
(4) Munkatávolság
A munkatávolság az objektívlencse alsó felülete és a fedőüveg felső felülete közötti távolságra vonatkozik a mikroszkóp fókuszálása után, szabványos fedőüveg és szabványos mechanikus csőhossz használatával. Minél nagyobb az objektívlencse nagyítása, annál rövidebb a munkatáv. Általában a kis teljesítményű objektív lencséjének 10-szeres alatti munkatávolsága 5-7mm, míg a 100-szoros olajos lencséké csak körülbelül 0,19 mm.
(5) A fókusz mélysége
Ha a mikroszkópot a mintában egy bizonyos síkra fókuszáljuk, akkor nemcsak a tárgysík látható jól, hanem a hozzá kapcsolódó felső és alsó tárgysík is jól látható egyszerre. A felső és alsó tárgysík közötti távolságot fókuszmélységnek vagy röviden fókuszmélységnek nevezzük.
A mikroszkóp fókuszmélysége nagyon kicsi, és minél nagyobb a numerikus rekesznyílás, annál nagyobb a teljes nagyítás, és annál kisebb a fókuszmélység. Például 1,25/100-szeres NA-val és 12,5-szeres okulárral rendelkező olajlencsék megfigyelése esetén a fókuszmélység csak 0,27 μm. Vagyis fókuszálás után egyszerre csak egy vékony, 0,27 μm vastag réteg látható tisztán. A közönséges minták általában több mikron vastagságúak. A teljes minta megtekintéséhez a mikroszkóp finomhangoló mechanizmusát kell használni, hogy rétegenként, felülről lefelé figyeljen.
(6) látómező
A látómezőt látómezőnek is nevezik. A vizsgált tárgy hatókörére utal, amelyet a mikroszkóp egyszerre láthat. Általában azt szeretnénk, hogy a látómező a lehető legnagyobb legyen. A mikroszkóp látóterét az objektívlencse látómezeje és a szemlencse látómezeje határozza meg. A közönséges objektív lencsék látómezeje kevesebb, mint 20 mm, a nagy pedig elérheti a 40 mm-t is. A közönséges 10x-es okulárok látómezeje 14 mm, a nagyok pedig akár 24 mm-t is elérhetnek. Az objektív és a szemlencse megtervezése után a látómező rögzítésre kerül. Mivel egy általános mikroszkóp látómezeje kicsi, lehetetlen egy látómezőben a teljes mintát látni, csak egy nagyon kis kör látható a mintán. Ráadásul a látómező mérete fordítottan arányos a mikroszkóp teljes nagyításával. Minél nagyobb a teljes nagyítás, annál kisebb a látómező. A megoldás az, hogy a mozgató segítségével a minta egyes részeit felváltva belépnek a látómezőbe, és egymás után megfigyelik.
(7) Tükör fényereje
A tükör fényessége a mikroszkópban látható tárgykép világosságára és sötétségére utal. A megfigyelés megkönnyítése érdekében reméljük, hogy a kapott kép világosabb lesz. Állandó külső fény esetén a tükör fényereje arányos a numerikus apertúra négyzetével és fordítottan arányos a teljes nagyítás négyzetével. A kép világosabbá tétele érdekében nagy numerikus rekesznyílású objektívet kell használni kis nagyítású szemlencsével. Például ugyanazon objektív esetében 5X-es szemlencse használata négyszer fényesebb tükörképet eredményez, mint egy 10-szeres szemlencse használata esetén.
Az elektromos fényforrást használó mikroszkópoknál a tükörkép fényereje a megvilágító fényerejének beállításával szabályozható.
(8) Világosság
A mikroszkópos képalkotás tisztasága függ annak optikai rendszerétől, különösen az objektívlencse optikai teljesítményétől. A mikroszkópok tervezésével, gyártásával, használatával és tárolásával kapcsolatos. Ez egy fontos és összetett kérdés. A használat és tárolás szempontjából a tisztaságot befolyásoló fő okok a következők: a felhasznált fedőüveg vastagsága nem minősített, a fókusz nem az ideális pozícióba van beállítva, a teljes nagyítás túl nagy, és az olaj lencséje az objektív nincs letörölve. Tiszta, lencse penész stb.
