Изучение принципов построения микроскопа и его применение
Введение
Целью работы является изучение принципов построения микроскопов (включая измерительные) и приобретение навыков работы с подобными приборами, обработки и оформления результатов измерений.
Микроскопом называют оптическую систему (ОС), предназначенную для наблюдения близко расположенных микрообъектов с большим увеличением. Основными компонентами микроскопа (рис.1.1) являются объектив и окуляр. Принцип действия микроскопа определяется следующими факторами.
Рисунок 1.1 – Оптическая схема микроскопа:
1 – объектив; 2 – окуляр
Исследуемый предмет y находится на малом расстоянии от переднего фокуса объектива 1, который строит действительное, увеличенное и перевернутое изображение предмета y' в плоскости, совпадающей с передней фокальной плоскостью окуляра 2. Окуляр строит вторичное увеличенное, мнимое изображение предмета на большом расстоянии от глаза (от 250 мм до ). Это означает, что предмет находится вблизи переднего фокуса микроскопа (или совмещен с ним).
К основным характеристикам микроскопа относятся: видимое увеличение Гм, линейное поле 2y, диаметр D' и вынос ар' выходного зрачка; числовая апертура NA; разрешающая способность R, глубина изображаемого пространства и др.
Фокусное расстояние микроскопа согласно теории идеальной ОС может быть вычислено по формуле
f 'м = -(f '1·f '2)/Δ, (1.1)
где отрезок Δ – называют оптической длиной тубуса микроскопа.
Видимое увеличение микроскопа вычисляют по формуле:
Гм = 250/f 'м, (1.2)
откуда, подставляя f 'м из (1.1), находим:
Гм = 250Δ/(f '1·f '2) = βоб·Гок . (1.3)
Наряду с основными компонентами (объективом и окуляром) ОС микроскопа, как правило, включает апертурную (АД) и полевую (ПД) диафрагмы.
Апертурная диафрагма определяет входной и выходной зрачки микроскопа, апертурный угол σА и числовую апертуру NA микроскопа:
NA = n·sin А, (1.4)
где n – показатель преломления среды в пространстве предметов.
В микроскопе АД устанавливают обычно между последней поверхностью и задним фокусом объектива. Иногда (в измерительных микроскопах для обеспечения телецентрического хода лучей) АД устанавливают в задней фокальной плоскости объектива. В этом случае входной зрачок микроскопа расположен на бесконечности и в пространстве предметов обеспечивается телоцентрический ход главного полевого луча.
Выходной зрачок микроскопа расположен вблизи заднего фокуса окуляра и для него можем записать:
D'= 2n·f 'м·tg А (1.5)
Полевая диафрагма, установленная в плоскости промежуточного действительного изображения (в передней фокальной плоскости окуляра), определяет линейное поле микроскопа 2y:
2y = Dпд/βоб . (1.6)
При решении измерительных задач, наряду с информационными широкое применение находят измерительные микроскопы. Отличается измерительный микроскоп от наблюдательного наличием отсчетного устройства, выполненного в виде плоскопараллельной пластинки со шкалой или отсчетного устройства с микрометром.
Отдельную группу измерительных микроскопов составляют отсчетные микроскопы, применяемые в сложных оптических измерительных приборах для считывания показаний по шкалам с относительно большими делениями и имеющие точное отсчетное устройство, позволяющее оценивать долю деления основной шкалы грубого отсчета с высокой точностью.
К основным характеристикам измерительного микроскопа (кроме названных выше) относятся также метрологические характеристики отсчетного устройства: цена деления шкалы, диапазон показаний, диапазон измерений, инструментальная погрешность и др.
Видимое увеличение измерительных микроскопов не велико и лежит в пределах 50...100×, тогда как у наблюдательных микроскопов видимое увеличение может достигать 1000× и более.
При решении измерительных задач также находят применение автоколлимационные микроскопы. Автоколлимационный микроскоп может быть получен из двухкомпонентного микроскопа заменой второго компонента автоколлимационным окуляром. Схема автоколлимационного микроскопа с окуляром – кубиком приведена на рис. 1.2.
Здесь объектив 4 и поворотное зеркало (диагональная грань кубика 3) строят изображение марки 2 на зеркале 5, установленном в предметной плоскости микроскопа. Отраженные лучи снова попадают в объектив 4, который строит автоколлимационное изображение марки 2 в плоскости сетки 6, установленной в плоскости полевой диафрагмы микроскопа. Полевая диафрагма совмещена с передней фокальной плоскостью окуляра 7, и наблюдатель будет видеть совмещенными сетку 6 (шкалу или марку) и изображение марки 2 (рис. 1.2, б).
Рисунок 1.2 - Схема автоколлимационного микроскопа (а) и вид поля (б):
1 – источник света; 2 – марка; 3 – призма-куб; 4 – объектив; 5 – зеркало; 6 – шкала; 7 – окуляр
В последнее время широкое распространение находят фотоэлектрические микроскопы с матричными приемниками излучения, которые подобно глазу выполняют функцию анализа изображения.
Для расширения спектрального диапазона в область ультрафиолетовых и инфракрасных излучений применяют специальные ультрафиолетовые и инфракрасные микроскопы.