Вопрос 37. Чувствительность глаза к свету и цвету.

Вопрос 38. Оптический микроскоп. Ход лучей. Увеличение. Разрешающая способность. Апертурный угол. Иммерсионные системы. Полезное увеличение.

Для получения больших увеличений в качестве лупы следует использовать короткофокусные линзы. Однако такие линзы имеют небольшие размеры, им свойственны значительные аберрации, что накладывает ограничения на увеличение лупы. Большее увеличение можно осуществить, рассматривая действи­тельное изображение предмета, созданное дополнительной линзой или системой линз. Таким оптическим устройством является микроскоп; лупу в этом случае называют окуляром, а дополнительную линзу или систему линз — объективом.

Рис. Оптическая схема прямого микроскопа проходящего света.

Одна из типичных схем М. приведена на рис. Рассматриваемый объект (препарат) 7 располагают на предметном стекле 10. Конденсор 6 концентрирует на объекте пучок света, отражающегося от зеркала 4. Источником света в М. чаще всего служит специальный осветитель, состоящий из лампы и линзы-коллектора (соответственно 1 и 2 на рис.1); иногда зеркало направляет на объект обычный дневной свет. Диафрагмы — полевая 3 и апертурная 5 ограничивают световой пучок и уменьшают в нём долю рассеянного света, попадающего на препарат «со стороны» и не участвующего в формировании изображения.

Возникновение изображения препарата в М. в основных (хотя и наиболее простых) чертах можно описать в рамках геометрической оптики. Лучи света, исходящие от объекта 7, преломляясь в объективе 8, создают перевёрнутое и увеличенное действительное оптическое изображение 7' объекта. Это изображение рассматривают через окуляр 9. При визуальном наблюдении М. фокусируют так, чтобы 7' находилось непосредственно за передним фокусом окуляра F_OK. В этих условиях окуляр работает как лупа: давая дополнительное увеличение, он образует мнимое изображение 7" (по-прежнему перевёрнутое); проходя через оптические среды глаза наблюдателя, лучи от 7" создают на сетчатке глаза действительное изображение объекта. Обычно 7" располагается на расстоянии наилучшего видения D от глаза. Если сдвинуть окуляр так, чтобы 7' оказалось перед F_OK, то изображение, даваемое окуляром, становится действительным и его можно получить на экране или фотоплёнке; по такой схеме производят, в частности, фото- и видеосъёмку микроскопических объектов.

Под увеличением микроскопа принято понимать отношение размера изображения препарата на сетчатке глаза, образованное при наблюдении через микроскоп, к размеру изображения того же препарата, полученному на сетчатке при наблюдении невооруженным глазом.

Увеличение микроскопа определяется формулой , f₁ – фокусное расстояние объектива, f₂ – фокусное расстояние окуляра, L – оптическая длина тубуса, S – расстояние наилучшего зрения (≈ 25 см). Таким образом, видно, что при постоянной оптической длине тубуса (расстояние от заднего фокуса объектива до переднего фокуса окуляра), увеличение микроскопа будет зависеть от произведение фокусных расстояний объектива и окуляра

Оптические изображения, полученные с помощью микроскопа, никогда не воспроизводят объект с идеальной точностью. Они бывают искажены вследствие всякого рода несовершенств оптических систем (аберрации). Но даже идеальная линза, свободная от аберраций, не может дать идеального изображения из-за волновой природы света. Дифракция световой волны, возникающая из-за конечного размера линз и зеркал, приводит к нарушению изображений. Это означает, что изображения точечных объектов не могут быть точечными; они изображаются дифракционными пятнами конечного размера. Вследствие перекрытия дифракционных изображений две близкие точки объекта могут оказаться неразрешимыми в изображении. Таким образом, оптические микроскопы дают увеличение изображения не больше чем в 1500-2000.

Дифракционный предел разрешения микроскопа состоит в том, что в микроскоп нельзя рассмотреть объекты, размер которых меньше половины длины волны используемого излучения. Для оптической микроскопии - то есть длин волн, различимых человеческим глазом (380-780нм), предельный размер объекта составляет около 200 нанометров.

Разрешающей способностью обычно называют способность микроскопа давать раздельные изображения точек рассматриваемого предмета. Эта величина обратная к пределу разрешения

Одним из способов повышения разрешающей способности является использование света с как можно меньшей длиной волны. Другой способ повышения разрешающей способности – это увеличение числовой апертуры, что достигается увеличением как показателя преломления среды между предметом и объективом, так и апертурного угла.

Апертурный угол объектива – это угол, равный половине угла между крайними лучами конического светового пучка, входящего в объектив.

В современных микроскопах апертурный угол достигает наибольшего значения, равного 70°.

Рассмотрим чем обусловлено это ограничение, так как теоретически апертурный угол может иметь значения до 90°. При этом Аббе установил, что для соответствия изображения предмету необходимо по крайней мере, чтобы из первичного изображения проходили дальше лучи центрального и одного из главных максимумов. Поэтому если угол очень велик, то лучи первого максимума могут не попасть в объектив. Так, например, на рисунке показано, что объектив Об не захватывает лучей, выходящих из точки 1 под углом 45°. Чтобы эти лучи попали, надо предмет приблизить к объективу, например точку 2. Однако расстояние предмета от линзы не может изменяться произвольно, оно постоянно для каждого объектива и приближать предмет нельзя. Этим и обусловлено ограничение значения апертурного угла.

Иммерсионной жидкостью называется среда, помещаемая между препаратом и оптической системой.

Введение иммерсионной жидкости увеличивает числовую апертуру объектива ( , где n – показатель преломления среды, находящейся между объективом и предметом; u/2 – апертурный угол объектива). Увеличение числовой апертуры приводит к повышению разрешающей способности микроскопа (разрешающая способность обратна пределу разрешения микроскопа ).

В иммерсионных системах по сравнению с тождественными «сухими» системами получают больший апертурный угол. А так как световой поток, попадающий в оптическую систему (или проходящий через рассматриваемую поверхность), пропорционален квадрату синуса апертурного угла (в общем случае квадрату числовой апертуры), то введение иммерсионной жидкости приведет к увеличению светового потока, попадающего в оптическую систему, и как следствие к увеличению яркости изображения.

Полезное увеличение микроскопа – это такое увеличение, при котором микроскоп создает изображение предмета, имеющего размеры, равные пределу разрешения микроскопа Z, и размеры этого изображения равны пределу разрешения Zгл невооруженного глаза на расстоянии наилучшего зрения: . Необходимость введения этого понятия связана с тем, что глаз человека имеет свой предел разрешения (Z₀=70 мкм на расстоянии 25 см), т.е. минимальное полезное увеличение равно .

Считают, что глаз меньше всего утомляется при рассматривании предметов, размеры которых в 2-4 раза больше предела его разрешения (на расстоянии наилучшего зрения). Поэтому обычно используют микроскопы с полезным увеличением от 2Г_min до 4Г_min.