Основы геометрической теории микроскопа

Глаз. Среди всех органов чувств наибольшее количество информации об окружающей среде человек получает с помощью зрения. Цветовая информация в видимой области спектра (от фиолетового до красного) воспринимается колбочковидными клетками, расположенными на сетчатке глаза. При этом человеческий глаз не может видеть ультрафиолетовый свет с длиной волны менее 400нм и инфракрасный – более 750нм. Кроме того, глаз различает интенсивность света – яркость от черного до белого, включая множество градаций серого, с помощью палочковидных клеток. Таким образом, глазами воспринимается огромное количество цветов и оттенков. Изображение объектов окружающей среды фокусируется с помощью хрусталика на сетчатке глаза. Хрусталик глаза имеет форму двояковыпуклой

Рис.2.Аккомодация. Глаз способен изменять кривизну поверхности хрусталика. Это позволяет спроецировать четкое изображение удаленного объекта на сетчатке. При приближении объекта, степень кривизны поверхности хрусталика увеличивается, что приводит к уменьшению фокусного расстояния хрусталика. Объект при этом проецируется на более обширную область сетчатки. F - фокус хрусталика.

линзы. Его замечательной особенностью является способность изменения кривизны поверхности – явление носит название аккомодации. При этом хрусталик может фокусировать четкое изображение удаленных объектов на сетчатке (рис.2). Чем ближе находится к глазу рассматриваемый объект, тем большее количество его деталей можно различить. Так происходит до определенного предела, который для большинства людей со здоровым зрением составляет примерно 25см. Это обусловлено тем, что кривизна

хрусталика может меняться только в ограниченном диапазоне.

Чтобы разглядеть более мелкие детали объекта необходимо прибегать к помощи увеличительных приборов.

Собирающая линза. Простейшим из увеличительных приборов является увеличительное стекло, или лупа, представляющая собой двояковыпуклую (собирающую) линзу. Лучи, проходящие через линзу, преломляются на ее поверхности (рефракция). Если пучок параллельных лучей проходит через линзу, то они собираются в одной точке – в фокусе линзы, которая лежит в фокальной плоскости. Расстояние от центра линзы, до точки фокуса называется фокусным расстоянием (f), которое зависит от радиуса кривизны поверхности линзы. Если рассматриваемый объект располагается на расстоянии между f и 2f, то лучи формируют его увеличенное изображение с противоположной стороны линзы (рис.3). Это изображение является действительным, поскольку сформировано пересечением реальных лучей, исходящих из точек объекта. К тому же оно перевернуто относительно положения объекта. Такое действительное изображение можно увидеть на экране, расположенном на соответствующем расстоянии от линзы.

Рис.3.Принцип работы двояковыпуклой линзы. О - оптический центр линзы; О’, О” - передний и задний фокусы линзы; прямая O’O” - оптическая ось линзы; AB-фокальная плоскость; отрезок ОО’- фокусное расстояние; С’, D’ - изображение точек Си D, соответственно. Световые лучи, параллельные оптической оси линзы собираются в точке фокуса, лежащей в фокальной плоскости. Лучи, прошедшие через оптический центр не изменяют направления. Если объект находится вблизи переднего фокуса линзы, то действительное перевернутое увеличенное изображение формируется за задним фокусом линзы.
Рис.4.При рассматривании через лупу увеличенное изображение кажется расположенным с той же стороны линзы, что и сам объект.

При рассматривании объекта через лупу ее располагают близко к глазу, а рассматриваемый предмет – в фокальной плоскости лупы. При этом видно увеличенное изображение объекта. В силу особенностей восприятия мозгом, это изображение кажется наблюдателю находящимся с той же стороны от увеличительного стекла, что и сам рассматриваемый объект и является не действительным, а мнимым, поскольку не образуется пересекающимися лучами и его нельзя получить на экране или на матрице цифрового фотоаппарата. Оно, к тому же, не является перевернутым. Важно понимать, что мнимое изображение является результатом взаимодействия органов зрения с увеличительным прибором, на сетчатке глаза при этом формируется действительное перевернутое изображение (рис.4). Собирающая линза, по сути, увеличивает угол, под которым наблюдатель видит соседние точки на изображении. При этом увеличивается разрешающая способность системы линза-глаз, а увеличение линзы рассчитывается по формуле:

V = 250/f,

где V-увеличение линзы, 250 – расстояние наилучшего зрения в миллиметрах, f – фокусное расстояние линзы в миллиметрах.

Обычно лупы дают увеличение от 2 до 30 раз.

Рис.5.Формирование изображения в микроскопе. Линза объектива формирует промежуточное увеличенное изображение объекта в фокальной плоскости окуляра. Линза окуляра дополнительно увеличивает это изображение.

Ход лучей в микроскопе. Несмотря на то, что современные исследовательские микроскопы являются сложнейшими высокотехнологичными приборами и зачастую оснащены набором дополнительных приспособлений, улучшающих их функциональность, базовые принципы устройства микроскопов весьма просты. В простейшем случае микроскоп будет состоять из двух линз – короткофокусной линзы объектива и линзы окуляра. Объектив создает действительное увеличенное перевернутое изображение объекта в определенной плоскости внутри тубуса микроскопа, называемое промежуточным изображением. Это изображение лежит в фокальной плоскости линзы окуляра. Линза окуляра, в свою очередь, дополнительно увеличивает промежуточное изображение, которое и воспринимается глазом наблюдателя. При этом глаз воспринимает конечное изображение как сильно увеличенное изображение объекта, расположенное в бесконечности, т.е. глаз аккомодирован на бесконечность (рис.5). Если же в качестве детектора изображения используются цифровые или аналоговые камеры и фотоэлектронные умножители, то вместо линзы окуляра применяются специальные адаптерные приспособления, фокусирующие изображение на светочувствительной поверхности детектора. При этом промежуточное изображение может дополнительно увеличиваться (например системой «оптовара»), либо проецироваться на детектор без увеличения. Таким образом, в микроскопе реализуется двухступенчатое увеличение изображения объекта. Общее увеличение микроскопа при этом рассчитывается как произведение увеличения объектива и увеличения окуляра.

В реальном микроскопе объектив имеет очень малое фокусное расстояние и сконструирован таким образом, чтобы находиться близко к объекту. Плоскость, в которой находится промежуточное изображение, создаваемое объективом, располагается на небольшом расстоянии от верхнего конца тубуса микроскопа. Расстояние от фокальной плоскости

Рис.6.Корректировка на бесконечность. Слева – объектив, скорректированный на бесконечность, на выходе дает параллельные лучи, которые собираются тубусной линзой. Справа – промежуточное изображение формируется без помощи тубусной линзы.

объектива до промежуточного изображения называется оптической длиной тубуса. При этом оно не равно механической длине тубуса – расстоянию от револьверного держателя объектива микроскопа до верхнего края тубуса. Раньше объективы были рассчитаны на различные величины оптической длины тубуса. Эта длина составляла от 160 до 210мм и варьировала в зависимости от производителя. Но в 80-х годах прошлого века большинство компаний-разработчиков микроскопов перешли на объективы, скорректированные на бесконечность, это означает, что световые лучи, выходящие из объектива формируют параллельный пучок. При этом используется дополнительная тубусная линза, которая этот параллельный пучок фокусирует в определенную плоскость (рис.6).

Обобщенная схема оптического микроскопа проходящего света (рис.7).

Источник света. Как правило, лампа накаливания с плоской нитью.

Коллектор. Линза или система линз, которая проецирует нить накала в плоскость аппертурной диафрагмы конденсора.

Полевая диафрагма микроскопа располагается в плоскости, равномерно освещенной источником света. Полевая диафрагма с помощью конденсора проецируется в плоскость препарата. Таким образом, осуществляется равномерное освещение препарата, хотя источник света представляет собой светящуюся спираль. Когда микроскоп настроен неправильно, эта спираль видна вместе с изображением объекта. Уменьшая раскрытие полевой диафрагмы, мы уменьшаем диаметр освещаемого поля зрения (отсюда и название).

Аппертурная диафрагма. В плоскость аппертурной диафрагмы проецируется с помощью коллектора изображение спирали. Эта диафрагма находится в фокальной плоскости конденсора. Поэтому каждая точка источника света с помощью конденсора отображается в бесконечность. Точка на оптической оси после конденсора даст параллельный пучок вдоль этой оси. Точка источника света, находящаяся на границе диафрагмы, даст параллельный пучок, проходящий под углом к оптической оси. Этот угол будет определяться размером диафрагмы и фокусным расстоянием конденсора. Другими словами, нужно провести прямую, проходящую через край аппертурной диафрагмы и через центр конденсора, а все остальные лучи, выходящие из этой точки изображения источника, пройдут после конденсора параллельно этой прямой. Таким образом, после конденсора излучение источника будет представлять собой расходящийся пучок лучей. Причем угол, на который лучи отклоняются от оси, будет зависеть от величины раскрытия этой диафрагмы, поэтому она называется аппертурной.

Рис.7.Обобщенная схема микроскопа проходящего света

Конденсор. Это система линз, проецирующая в плоскость препарата полевую диафрагму и, таким образом, обеспечивающая равномерное освещение объекта исследования.

Препарат. В плоскости препарата расположено изображение полевой диафрагмы.

Объектив. Система линз, проецирующая плоскость препарата вместе с в фокальную плоскость окуляра. Поскольку изображение источника света с помощью конденсора проецируется в бесконечность, то эти параллельные лучи света (параллельные от каждой точки источника, а не от всего источника), пройдя через объектив, дадут изображение этого источника в задней фокальной плоскости объектива. В этой же плоскости будет и изображение аппертурной диафрагмы. Плоскость аппертурной диафрагмы и оптически сопряженные с ней плоскости, например, используются в микроскопах для размещения в них специальных оптических элементов для осуществления различных методов микроскопирования: фазового контраста, темного поля, интерференционного контраста и др.

Окуляр. Система линз, в фокальной плоскости которой находится промежуточное изображение объекта. Окуляр отображает этот объект в бесконечность и позволяет, таким образом, наблюдать объект в параллельных лучах.