Wprowadzenie do głównych obszarów zastosowań mikroskopu optycznego
Mikroskop optyczny jest starożytnym i młodym narzędziem naukowym. Ma historię 300 lat od swoich narodzin. Mikroskop optyczny ma szerokie zastosowanie. Na przykład w biologii, chemii, fizyce, astronomii itp. Jest on nierozerwalnie związany z mikroskopem w niektórych pracach naukowych.
Według różnych zastosowań mikroskopy można z grubsza podzielić na cztery kategorie: mikroskopy biologiczne, mikroskopy metalograficzne, mikroskopy stereoskopowe i mikroskopy polaryzacyjne. Jak sama nazwa wskazuje, mikroskopy biologiczne są wykorzystywane głównie w biomedycynie, a obiektami obserwacji są przeważnie przezroczyste lub półprzezroczyste mikrociała; mikroskopy metalograficzne służą głównie do obserwacji powierzchni obiektów nieprzezroczystych, takich jak struktura metalograficzna i wady powierzchniowe materiałów; chociaż mikroskopy stereoskopowe powiększają mikroobiekty, tworzą one również obiekty i obrazy w tym samym kierunku co oko ludzkie i mają poczucie głębi, które jest zgodne z konwencjonalnymi nawykami wzrokowymi ludzi; mikroskopy polaryzacyjne wykorzystują charakterystykę transmisji lub odbicia różnych materiałów dla światła spolaryzowanego w celu rozróżnienia różnych komponentów mikroobiektów. Ponadto niektóre typy specjalne można również podzielić. Na przykład odwrócony mikroskop biologiczny lub mikroskop hodowlany to mikroskop biologiczny używany głównie do obserwacji hodowli przez dno naczynia hodowlanego; mikroskop fluorescencyjny wykorzystuje właściwości niektórych substancji do absorpcji światła o określonej krótszej długości fali i emitowania światła o określonej dłuższej długości fali w celu wykrycia istnienia tych substancji i określenia ich zawartości; mikroskop porównawczy może tworzyć zestawione lub nałożone obrazy dwóch obiektów w tym samym polu widzenia, aby porównać podobieństwa i różnice między dwoma obiektami.
Tradycyjne mikroskopy optyczne składają się głównie z układów optycznych i wspierających je konstrukcji mechanicznych. Układy optyczne obejmują soczewki obiektywowe, okulary i soczewki kondensorowe, z których wszystkie są skomplikowanymi szkłami powiększającymi wykonanymi z różnych szkieł optycznych. Soczewka obiektywowa powiększa preparat, a jego powiększenie Mobject określa się według następującego wzoru: Mobject =Δ∕f'obiekt, gdzie f'obiekt to ogniskowa soczewki obiektywu, a Δ można rozumieć jako odległość pomiędzy obiektywem a okularem. Okular ponownie powiększa obraz utworzony przez obiektyw, tworząc wirtualny obraz w odległości 250 mm przed ludzkim okiem do obserwacji. Dla większości ludzi jest to najwygodniejsza pozycja obserwacyjna. Powiększenie okularu M=250/f' oko, gdzie f' to ogniskowa okularu. Całkowite powiększenie mikroskopu jest iloczynem soczewki obiektywu i okularu, czyli M=M obiekt*M oko=Δ*250/f' oko *f; obiekt. Widać, że zmniejszenie ogniskowej obiektywu i okularu zwiększy powiększenie całkowite, które jest kluczem do zobaczenia pod mikroskopem bakterii i innych mikroorganizmów, a także różnicą pomiędzy nim a zwykłymi szkłami powiększającymi.
Czy zatem można zmniejszyć siatkę obiektów bez ograniczeń, aby zwiększyć powiększenie, dzięki czemu będziemy mogli zobaczyć bardziej subtelne obiekty? Odpowiedź brzmi nie! Dzieje się tak, ponieważ światło wykorzystywane do obrazowania jest zasadniczo rodzajem fali elektromagnetycznej, więc w procesie propagacji nieuchronnie wystąpią zjawiska dyfrakcji i interferencji, podobnie jak zmarszczki na powierzchni wody, które można zobaczyć na co dzień, mogą rozchodzić się po napotkaniu przeszkód , a dwie kolumny fal wodnych mogą się wzajemnie wzmacniać lub osłabiać, gdy się spotkają. Kiedy fala świetlna emitowana przez punktowy obiekt świetlny dociera do soczewki obiektywu, rama soczewki obiektywu utrudnia propagację światła, co powoduje dyfrakcję i interferencję. Po przejściu przez obiektyw nie może już gromadzić się w jednym punkcie, ale tworzy plamę świetlną o określonej wielkości, a na obrzeżach pojawia się szereg pierścieni świetlnych o słabym i stopniowo słabnącym natężeniu. Centralną jasną plamę nazywamy dyskiem Airy’ego. Kiedy dwa punkty emitujące światło znajdą się w pewnej odległości, te dwie plamki świetlne będą się nakładać, aż nie będzie można ich rozpoznać jako dwóch plamek świetlnych. Rayleigh zaproponował standard oceny, uważając, że gdy odległość między środkami dwóch plam świetlnych jest równa promieniowi dysku Airy'ego, można rozróżnić dwie plamki świetlne. Po obliczeniu odległość między dwoma punktami emitującymi światło w tym momencie wynosi e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA We wzorze In oznacza długość fali świetlnej, a długość fali świetlnej odbieranej przez ludzkie oko wynosi około 0.4-0.7um, a n to współczynnik załamania światła ośrodka, w którym znajduje się punkt emitujący światło. Na przykład w powietrzu n≈1 , w wodzie n≈1,33, a A jest połową kąta otwarcia punktu luminescencyjnego w stosunku do oprawki obiektywu, a NA nazywa się aperturą numeryczną obiektywu. Z powyższego wzoru wynika, że odległość między dwoma punktami, jakie może rozróżnić obiektyw, jest ograniczona długością fali światła i aperturą numeryczną. Ponieważ długość fali najczulszego ludzkiego oka wynosi około 0,5um, a kąt A nie może przekraczać 90 stopni, sinA jest zawsze mniejszy niż 1. Maksymalny współczynnik załamania światła dostępny medium wynosi około 1,5, zatem wartość e jest zawsze większa niż 0,2um, czyli minimalna odległość graniczna, którą można rozróżnić za pomocą mikroskopu optycznego. Powiększ obraz za pomocą mikroskopu. Jeśli chcesz powiększyć odległość e punktu obiektu, którą może rozdzielić obiektyw, o określonej wartości NA wystarczającej do rozróżnienia przez ludzkie oko, potrzebujesz Me Większego lub równego 0,15 mm, gdzie { {29}},15 mm to minimalna odległość między dwoma mikroobiektami, jaką ludzkie oko może rozróżnić z odległości 250 mm przed oczami, więc M Większe lub równe (0,15∕0,61)NA ≈500N.A. Wystarczy podwoić powiększenie, czyli 500N.A Mniejsze lub równe M Mniejsze lub równe 1000N.A, co stanowi rozsądny zakres doboru całkowitego powiększenia mikroskopu. Bez względu na to, jak duże jest powiększenie całkowite, nie ma ono sensu, ponieważ apertura numeryczna obiektywu ogranicza minimalną rozpoznawalną odległość i nie ma możliwości rozróżnienia mniejszych szczegółów obiektu poprzez zwiększenie powiększenia.
Kontrast obrazowania to kolejna kluczowa kwestia w mikroskopach optycznych. Tak zwany kontrast odnosi się do kontrastu czarno-białego lub różnicy kolorów pomiędzy sąsiadującymi częściami na powierzchni obrazu. Ludzkiemu oku trudno jest ocenić różnicę jasności poniżej 0.02, ale jest ono nieco bardziej wrażliwe na różnicę kolorów. Niektóre obiekty mikroskopowe, takie jak próbki biologiczne, charakteryzują się bardzo małą różnicą jasności między szczegółami, a błędy projektowe i produkcyjne układu optycznego mikroskopu dodatkowo zmniejszają kontrast obrazu i utrudniają jego rozróżnienie. W tej chwili nie można wyraźnie zobaczyć szczegółów obiektu.
Przez lata ludzie ciężko pracowali, aby poprawić rozdzielczość i kontrast obrazowania mikroskopu. Wraz z ciągłym rozwojem technologii i narzędzi komputerowych, teoria i metody projektowania optycznego są również stale udoskonalane. W połączeniu z poprawą wydajności surowców, ciągłym doskonaleniem technologii i metod wykrywania oraz innowacjami metod obserwacji, jakość obrazowania mikroskopu optycznego osiągnęła doskonałość granicy dyfrakcyjnej. Ludzie będą używać barwienia próbek, ciemnego pola, kontrastu fazowego, fluorescencji, interferencji i światła spolaryzowanego. Przyrządy do obrazowania pojawiały się jeden po drugim i pod pewnymi względami mają lepszą wydajność, ale nadal nie mogą konkurować z mikroskopami optycznymi pod względem taniości, wygody, intuicji, a zwłaszcza nadają się do badań na organizmach żywych. Mikroskopy optyczne nadal mocno zajmują swoje własne pozycje. Z drugiej strony, w połączeniu z laserem, komputerem, nową technologią materiałową i technologią informacyjną, starożytny mikroskop optyczny odmładza i wykazuje energiczną witalność. Mikroskopy cyfrowe, laserowe konfokalne mikroskopy skaningowe, mikroskopy skaningowe bliskiego pola, mikroskopy dwufotonowe i instrumenty z różnymi nowymi funkcjami lub potrafiące dostosować się do różnych nowych warunków środowiskowych pojawiają się w nieskończonym strumieniu, co dodatkowo rozszerza zakres zastosowań mikroskopów optycznych, jak przykłady. Jak ekscytujące są mikroskopijne zdjęcia formacji skalnych przesłane z łazików marsjańskich! Możemy w pełni wierzyć, że mikroskop optyczny przyniesie ludzkości korzyści dzięki zaktualizowanemu podejściu.
