Sissejuhatus optilise mikroskoobi peamistesse rakendusvaldkondadesse
Optiline mikroskoop on iidne ja noor teaduslik tööriist. Sellel on sünnist alates 300 aastat ajalugu. Optilisel mikroskoobil on lai kasutusala. Näiteks bioloogias, keemias, füüsikas, astronoomias jm on see mõnes teaduslikus uurimistöös mikroskoobist lahutamatu.
Erinevate kasutuseesmärkide järgi võib mikroskoobid jämedalt jagada nelja kategooriasse: bioloogilised mikroskoobid, metallograafilised mikroskoobid, stereomikroskoobid ja polariseerivad mikroskoobid. Nagu nimigi ütleb, kasutatakse bioloogilisi mikroskoope peamiselt biomeditsiinis ning vaatlusobjektid on enamasti läbipaistvad või poolläbipaistvad mikrokehad; metallograafilisi mikroskoope kasutatakse peamiselt läbipaistmatute objektide pinna, näiteks materjalide metallograafilise struktuuri ja pinnadefektide jälgimiseks; kui stereoskoopilised mikroskoobid suurendavad mikroobjekte, teevad nad ka objekte ja kujutisi inimsilma suhtes samas suunas ning neil on sügavustunne, mis on kooskõlas inimeste tavapäraste nägemisharjumustega; polariseerivad mikroskoobid kasutavad polariseeritud valguse jaoks erinevate materjalide ülekande- või peegeldusomadusi, et eristada erinevaid mikroobjekti komponente. Lisaks saab jagada ka mõned eritüübid. Näiteks pöördbioloogiline mikroskoop või kultuurimikroskoop on bioloogiline mikroskoop, mida kasutatakse peamiselt kultuuri vaatlemiseks läbi kultiveerimisnõu põhja; fluorestsentsmikroskoop kasutab teatud ainete omadusi, et neelata kindla lühema lainepikkusega valgust ja kiirgada konkreetse pikema lainepikkusega valgust, et avastada nende ainete olemasolu ja määrata nende sisaldus; võrdlusmikroskoobiga saab moodustada kahest samas vaateväljas olevast objektist kõrvutatud või üksteise peale asetatud kujutisi, et võrrelda kahe objekti sarnasusi ja erinevusi.
Traditsioonilised optilised mikroskoobid koosnevad peamiselt optilistest süsteemidest ja neid toetavatest mehaanilistest struktuuridest. Optiliste süsteemide hulka kuuluvad objektiivläätsed, okulaarid ja kondensaatorläätsed, mis kõik on erinevatest optilistest klaasidest valmistatud keerulised suurendusklaasid. Objektiiv suurendab näidist ja selle suurendus Mobject määratakse järgmise valemiga: Mobject =Δ∕f'objekt, kus f'objekt on objektiivi fookuskaugus ja Δ võib mõista kui kaugust objektiivi ja okulaari vahele. Okulaar suurendab taas objektiivi moodustatud pilti, moodustades vaatlemiseks 250 mm kaugusel inimsilmast virtuaalse pildi. See on enamiku inimeste jaoks kõige mugavam vaatlusasend. Okulaari suurendus M=250/f' eye, kus f' on okulaari fookuskaugus. Mikroskoobi kogusuurendus on objektiiviläätse ja okulaari korrutis, st M=M objekt*M silm=Δ*250/f' silm *f; objektiks. Näha on, et objektiiviläätse ja okulaari fookuskaugust vähendades suureneb kogusuurendus, mis on võti bakterite ja muude mikroorganismide mikroskoobiga nägemiseks ning see on ka erinevus tavaliste suurendusklaaside vahel.
Niisiis, kas on mõeldav f'objekti f'silma piiramatult vähendada, et suurendada suurendust, et näeksime peenemaid objekte? Vastus on ei! Selle põhjuseks on asjaolu, et pildistamisel kasutatav valgus on oma olemuselt teatud tüüpi elektromagnetlaine, nii et levimisprotsessis tekivad vältimatult difraktsiooni- ja interferentsinähtused, nagu igapäevaelus nähtavad lained veepinnal võivad takistustega kokku puutudes ümber minna. ja kaks veelainete sammast võivad teineteist vastastikku tugevdada või nõrgendada. Kui punktkujulisest helendavast objektist kiirgav valguslaine siseneb objektiivi, takistab objektiiviläätse raam valguse levimist, mille tulemuseks on difraktsioon ja interferents. Pärast objektiiviläätse läbimist ei saa see enam ühte punkti koguneda, vaid moodustab teatud suurusega valguslaigu, mille perifeeriasse jääb rida nõrga ja järk-järgult nõrgeneva intensiivsusega valgusrõngaid. Me nimetame keskmist heledat kohta õhuliseks kettaks. Kui kaks valgust kiirgavat punkti on teatud kaugusel, kattuvad need kaks valguspunkti, kuni neid ei saa kahe valguspunktina ära tunda. Rayleigh pakkus välja otsustusstandardi, arvates, et kui kahe valgustäpi keskpunktide vaheline kaugus on võrdne Airy ketta raadiusega, saab neid kahte valguspunkti eristada. Pärast arvutamist on kahe valgust kiirgava punkti vaheline kaugus sel hetkel e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA Valemis In on valguse lainepikkus, ja inimsilm vastuvõetav valguslaine lainepikkus on umbes 0.4-0,7 um ja n on selle keskkonna murdumisnäitaja, kus valgust kiirgav punkt asub. Näiteks õhus n≈1 , vees n≈1,33 ja A on pool luminestsentspunkti avanemisnurgast objektiiviläätse raami suhtes ning NA-d nimetatakse objektiiviläätse numbriliseks apertuuriks. Ülaltoodud valemist on näha, et kahe punkti vaheline kaugus, mida objektiivlääts suudab eristada, on piiratud valguse lainepikkuse ja numbrilise avaga. Kuna kõige tundlikuma inimsilma lainepikkus on umbes 0,5 um ja nurk A ei tohi ületada 90 kraadi, on sinA alati väiksem kui 1. Saadaoleva valgust läbilaskva valguse maksimaalne murdumisnäitaja keskmine väärtus on umbes 1,5, seega on e väärtus alati suurem kui 0.2um, mis on optilise mikroskoobiga määratav minimaalne piirkaugus. Suurendage pilti läbi mikroskoobi. Kui soovite suurendada objekti punkti kaugust e, mida saab määrata objektiivi objektiiviga, mille NA väärtus on piisavalt suur, et seda inimsilm saaks lahutada, vajate Me suurem kui 0,15 mm või sellega võrdne, kus { {29}},15 mm on minimaalne kaugus kahe mikroobjekti vahel, mida inimsilm suudab eristada 250 mm kaugusel teie silmade ees, seega M on suurem või võrdne (0,15∕0,61)NA ≈500 N.A. Piisab kahekordsest suurendusest, st 500 N.A Väiksem või võrdne M Väiksem või võrdne 1000 N.A, mis on mikroskoobi kogusuurenduse mõistlik valik. Ükskõik kui suur on summaarne suurendus, on see mõttetu, sest objektiivi numbriline ava on piiranud minimaalset lahendatavat kaugust ning suurenduse suurendamisega on võimatu eristada väiksemaid objekti detaile.
Pildistamise kontrastsus on optiliste mikroskoopide teine võtmeprobleem. Niinimetatud kontrast viitab must-valge kontrastile või värvide erinevusele pildipinna külgnevate osade vahel. Inimsilmal on raske hinnata heleduse erinevust alla 0.02, kuid see on värvierinevuse suhtes pisut tundlikum. Mõnel mikroskoobi objektil, näiteks bioloogilistel proovidel, on detailide vahel väga väike heleduse erinevus ning mikroskoobi optilise süsteemi disaini- ja tootmisvead vähendavad veelgi kujutise kontrastsust ja raskendavad eristamist. Praegu pole objekti üksikasju selgelt näha.
Inimesed on aastate jooksul kõvasti tööd teinud, et parandada mikroskoobi eraldusvõimet ja pildi kontrastsust. Arvutitehnoloogia ja -vahendite pideva arenguga on ka optilise disaini teooriat ja meetodeid pidevalt täiustatud. Koos tooraine jõudluse parandamise, tehnoloogia ja tuvastamismeetodite pideva täiustamisega ning vaatlusmeetodite uuendustega on optilise mikroskoobi kujutise kvaliteet lähenenud difraktsioonipiiri täiuslikkusele. Inimesed kasutavad proovide värvimist, tumedat välja, faasikontrasti, fluorestsentsi, häireid ja polariseeritud valgust. Pildindusseadmed on välja tulnud üksteise järel ja neil on mõnes aspektis suurepärane jõudlus, kuid need ei suuda siiski optiliste mikroskoopidega võistelda oma odavuse, mugavuse, intuitsiooni poolest ning sobivad eriti hästi elusorganismide uurimiseks. Optilised mikroskoobid hõivavad endiselt kindlalt oma positsiooni. Teisest küljest on iidne optiline mikroskoop koos laseri, arvuti, uue materjalitehnoloogia ja infotehnoloogiaga noorendav ja näitab jõulist elujõudu. Digitaalsed mikroskoobid, laserkonfokaalsed skaneerivad mikroskoobid, lähivälja skaneerivad mikroskoobid, kahefootonilised mikroskoobid ja erinevate uute funktsioonidega või erinevate uute keskkonnatingimustega kohanemisvõimelised instrumendid tekivad lõputu voona, mis laiendab veelgi optiliste mikroskoopide kasutusvaldkonda. näiteid. Kui põnevad on Marsi kulguritest üles laaditud mikroskoopilised pildid kivimitest! Võime täielikult uskuda, et optiline mikroskoop on uuendatud suhtumisega inimkonnale kasuks.
