Въведение в основните области на приложение на оптичния микроскоп
Оптичният микроскоп е древен и млад научен инструмент. Има 300-годишна история от раждането си. Оптичният микроскоп има широк спектър от приложения. Например в биологията, химията, физиката, астрономията и т.н., той е неотделим от микроскопа в някои научни изследвания.
Според различните цели на приложение микроскопите могат грубо да се класифицират в четири категории: биологични микроскопи, металографски микроскопи, стереомикроскопи и поляризационни микроскопи. Както подсказва името, биологичните микроскопи се използват главно в биомедицината, а обектите за наблюдение са предимно прозрачни или полупрозрачни микротела; металографските микроскопи се използват главно за наблюдение на повърхността на непрозрачни обекти, като металографската структура и повърхностните дефекти на материалите; докато стереоскопичните микроскопи увеличават микрообектите, те също правят обекти и изображения в същата посока спрямо човешкото око и имат усещане за дълбочина, което е в съответствие с конвенционалните визуални навици на хората; поляризационните микроскопи използват характеристиките на предаване или отражение на различни материали за поляризирана светлина, за да разграничат различни компоненти на микрообекти. В допълнение, някои специални видове също могат да бъдат подразделени. Например, обърнат биологичен микроскоп или микроскоп за култура е биологичен микроскоп, използван главно за наблюдение на култура през дъното на съд за култура; флуоресцентният микроскоп използва характеристиките на определени вещества, за да абсорбира светлина с определена по-къса дължина на вълната и да излъчва светлина със специфична по-голяма дължина на вълната, за да открие съществуването на тези вещества и да определи тяхното съдържание; сравнителният микроскоп може да формира съпоставени или насложени изображения на два обекта в едно и също зрително поле, за да сравни приликите и разликите между двата обекта.
Традиционните оптични микроскопи се състоят главно от оптични системи и техните поддържащи механични структури. Оптичните системи включват обективни лещи, окуляри и кондензаторни лещи, всички от които са сложни лупи, направени от различни оптични стъкла. Лещата на обектива увеличава образеца и неговото увеличение Mobject се определя по следната формула: Mobject =Δ∕f'object, където f'object е фокусното разстояние на лещата на обектива, а Δ може да се разбира като разстоянието между лещата на обектива и окуляра. Окулярът отново увеличава изображението, образувано от лещата на обектива, образувайки виртуално изображение на 250 mm пред човешкото око за наблюдение. Това е най-удобната позиция за наблюдение за повечето хора. Увеличението на окуляра M=250/f' око, където f' е фокусното разстояние на окуляра. Общото увеличение на микроскопа е произведение на лещата на обектива и окуляра, т.е. M=M обект*M око=Δ*250/f' око *f; обект. Вижда се, че намаляването на фокусното разстояние на лещата на обектива и окуляра ще увеличи общото увеличение, което е ключът към виждането на бактерии и други микроорганизми с микроскоп, а също така е и разликата между него и обикновените лупи.
И така, възможно ли е да намалим f' обекта f' мрежата без ограничение, така че да увеличим увеличението, така че да можем да видим по-фини обекти? Отговорът е не! Това е така, защото светлината, използвана за изображения, е по същество вид електромагнитна вълна, така че дифракцията и явленията на интерференция неизбежно ще се появят по време на процеса на разпространение, точно както вълните по водната повърхност, които могат да се видят в ежедневието, могат да се въртят, когато се натъкнат на препятствия , а две колони от водни вълни могат да се усилват или отслабват взаимно, когато се срещнат. Когато светлинната вълна, излъчвана от точков светещ обект, навлезе в лещата на обектива, рамката на лещата на обектива възпрепятства разпространението на светлината, което води до дифракция и интерференция. След преминаване през обектива, тя вече не може да се събира в една точка, а образува светлинно петно с определен размер, а по периферията има поредица от светлинни пръстени със слаб и постепенно отслабващ интензитет. Наричаме централното светло петно диск на Ейри. Когато две светлоизлъчващи точки са близо до определено разстояние, двете светлинни петна ще се припокриват, докато не могат да бъдат разпознати като две светлинни петна. Rayleigh предложи стандарт за преценка, мислейки, че когато разстоянието между центровете на двете светлинни петна е равно на радиуса на диска на Airy, двете светлинни петна могат да бъдат разграничени. След изчислението разстоянието между двете светлоизлъчващи точки в този момент е e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA Във формулата In е дължината на вълната на светлинната вълна, и дължината на вълната на светлината, която може да бъде получена от човешкото око, е около 0.4-0.7um, а n е индексът на пречупване на средата, където се намира точката на излъчване на светлина. Например, във въздух, n≈1, във вода, n≈1,33, и A е половината от ъгъла на отваряне на луминесцентната точка към рамката на лещата на обектива, а NA се нарича числова апертура на лещата на обектива. От горната формула може да се види, че разстоянието между две точки, които лещата на обектива може да различи, е ограничено от дължината на вълната на светлината и цифровата апертура. Тъй като дължината на вълната на най-чувствителното човешко око е около 0.5um и ъгълът A не може да надвишава 90 градуса, sinA винаги е по-малък от 1. Максималният индекс на пречупване на наличното предаване на светлина среда е около 1,5, така че стойността на e винаги е по-голяма от 0.2um, което е минималното гранично разстояние, което може да бъде разрешено от оптичен микроскоп. Увеличете изображението през микроскоп. Ако искате да увеличите разстоянието на точката на обекта e, което може да бъде разрешено от лещата на обектива, с определена стойност на NA, достатъчна, за да бъде разрешено от човешкото око, имате нужда от Me По-голямо или равно на 0.15 mm, където { {29}}.15 mm е минималното разстояние между два микрообекта, които могат да бъдат разграничени от човешкото око на 250 mm пред очите ви, така че M По-голямо или равно на (0,15∕0,61)NA ≈500N.A. Достатъчно е да удвоите увеличението, тоест 500N.A По-малко или равно на M По-малко или равно на 1000N.A, което е разумен диапазон за избор на общото увеличение на микроскопа. Колкото и да е голямо общото увеличение, то е безсмислено, тъй като цифровата апертура на обектива е ограничила минималното разрешимо разстояние и е невъзможно да се разграничат по-малките детайли на обекта чрез увеличаване на увеличението.
Контрастът на изображението е друг ключов проблем при оптичните микроскопи. Така нареченият контраст се отнася до черно-белия контраст или цветовата разлика между съседни части на повърхността на изображението. За човешкото око е трудно да прецени разликата в яркостта под 0.02, но е малко по-чувствително към разликата в цвета. Някои микроскопски обекти, като например биологични образци, имат много малка разлика в яркостта между детайлите, а грешките в дизайна и производството на оптичната система на микроскопа допълнително намаляват контраста на изображението и затрудняват разграничаването. В този момент детайлите на обекта не могат да се видят ясно.
През годините хората са работили усилено, за да подобрят разделителната способност и контраста на изображенията на микроскопа. С непрекъснатото развитие на компютърните технологии и инструменти, теорията и методите на оптичното проектиране също непрекъснато се подобряват. В съчетание с подобряването на производителността на суровините, непрекъснатото подобряване на технологиите и методите за откриване и иновациите в методите за наблюдение, качеството на изображението на оптичния микроскоп се доближи до съвършенството на границата на дифракция. Хората ще използват оцветяване на проби, тъмно поле, фазов контраст, флуоресценция, интерференция и поляризирана светлина. Инструментите за изображения се появяват един след друг и имат превъзходна производителност в някои аспекти, но все още не могат да се конкурират с оптичните микроскопи по отношение на евтиност, удобство, интуиция и особено подходящи за изследване на живи организми. Оптичните микроскопи все още твърдо заемат своите позиции. От друга страна, съчетан с лазер, компютър, нови материални технологии и информационни технологии, древният оптичен микроскоп се подмладява и показва енергична жизненост. Цифрови микроскопи, лазерни конфокални сканиращи микроскопи, сканиращи микроскопи в близко поле, двуфотонни микроскопи и инструменти с различни нови функции или които могат да се адаптират към различни нови условия на околната среда се появяват в безкраен поток, което допълнително разширява полето на приложение на оптичните микроскопи, като примери. Колко вълнуващи са микроскопичните снимки на скални образувания, качени от марсоходите! Можем напълно да вярваме, че оптичният микроскоп ще бъде от полза за човечеството с актуализирано отношение.
