Оптическая система и увеличение микроскопа

Оптическая система включает объектив, окуляр и ряд вспомогательных оптических элементов в виде зеркал, призм, линз и других элементов (рис.1). Объектив представляет собой оптическое устройство, состоящее из сложного сочетания линз в одной общей оправе. Объектив дает действительное, увеличенное, обратное изображение шлифа. Объектив содержит

также несколько корректирующих линз, предназначенных для устранения нежелательных эффектов - хроматической и сферической аберраций, возникающих при прохождении лучей через фронтальную линзу астигматизма, кривизны изображения и других дефектов оптики.

Хроматическая аберрация обусловлена неодинаковым преломлением в линзе лучей различного цвета, которые не сходятся в одном фокусе. Это ухудшает четкость изображения.

Сферическая аберрация обусловлена различным преломлением лучей по краям линзы и в ее центре, и поэтому лучи не сходятся в одной точке, что также ухудшает четкость изображения.

Объективы оптических микроскопов в зависимости от степени исправления аберраций и области спектра, в котором они работают, делятся на ахроматы, апохроматы, планахроматы и планапохроматы. У ахроматических объективов исправлены аберрации; кривизна изображения не исправлена. В апохроматических объективах хорошо исправлена сферическая аберрация и кривизна изображения, а также обеспечивается более правильная цветопередача. В сочетании с компенсационными окулярами объективы-апохроматы дают высокое качество изображения и оптимальны для больших увеличений и микрофотографирования. Планахроматы и планапохроматы соответственно скорректированы также, как ахроматы и апохроматы, но у них исправлена и кривизна изображения.

 

 

Рис. 1. Оптическая схема микроскопа МИМ-7:

1 – осветитель; 2 – коллектор; 3 – зеркало; 4 – линза; 5 – апертурная диафрагма; 6 – линза; 7 – призма; 8 – линза; 9 – отражательная пластинка; 10 – объектив; 11 – объект; 12 – ахроматическая линза; 13 – окуляр; 14 – зеркало; 15 – фотоокуляр; 16 – зеркало; 17 – фотопластинка; 18 – полевая диафрагма; 19 – фотозатвор; 20 – линза для работы в темном поле; 21 – кольцевое зеркало; 22 – параболическое зеркало; 23 – заслонка, включается при работе в темном поле; 24 – поляризатор; 25 – анализатор.

Окуляры микроскопа имеют собственное увеличение и также снабжены корректирующими элементами. Современные микроскопы снабжены окулярами с увеличением от 5 до 20 (объективы характеризуются увеличением от 9 до 95).

По виду и степени коррекции окуляры делятся на простые (окуляры Гюйгенса), используемые при визуальной работе с объективами-ахроматами с низкой и средней апертурой, компенсационные с коррекцией остаточных аберраций объективов-апохроматов, фотоокуляры и гомали, предназначенные для микрофотографирования и проектирования изображения на экран.

Увеличение микроскопа N_м равно произведению увеличений объектива N_об и окуляра N_ок :

 

N_м= N_об ×N_ок=(L/F_об)×(L/F_ок) , (1)

 

где L - оптическая длина тубуса в мм (расстояние от фокальной плоскости объектива до фокальной плоскости окуляра; в микроскопе МИМ-7 L=250 мм);

F_об, F_ок - фокусное расстояние объектива и окуляра (в мм) соответственно.

Примечание. Так как обычно F_ок на самом окуляре не указывается, а указывается его увеличение (на торцевой поверхности, например, 15^х), то второй сомножитель в формуле (1) подставляется в готовом виде. Фокусное расстояние объектива и его числовая апертура указаны на боковой поверхности объектива.

Максимальное полезное увеличение (увеличение, при котором выявляются детали исследуемой микроструктуры) определяется по формуле

 

М=d₁/d , (2)

 

где d₁=0,3 мм - максимальная разрешающая способность человеческого глаза;

d - максимальная разрешающая способность оптической системы, (разрешающая способность оптической системы - величина, равная минимальному расстоянию между двумя точками, при котором точки различаются раздельно) определяется из условий дифракции света в соответствии с уравнением

 

d=l/2n sina=l/2A , (3)

 

где l - длина волны света (для белого света l=0,60 мкм =600 нм);

n - показатель преломления среды между объектом и объективом (для воздуха n=1);

а - угловая апертура объектива, равная половине угла, под которым виден зрачок объектива из точки предмета, лежащей на оптической оси (отверсный угол);

А=n×sina - числовая апертура.

Числовая апертура является важнейшей характеристикой объектива. Ее можно увеличить путем заполнения пространства между шлифом и объективом иммерсионным маслом (кедровым), для которого n=1,52. В этом случае используются специальные иммерсионные (мокрые) объективы (для получения максимального увеличения).

Так как величина а£72° и максимальное значение sina»0,95, то А_max =1×0,95=0,95 для "сухого" объектива и A_max=1,52×0,95=1,44 для "мокрого" объектива.

В соответствии с уравнением (3) максимальная разрешающая способность оптического микроскопа

 

d=0,60/(2×1,44)=0,2 мкм (4)

 

Чтобы получить четкое изображение объекта, необходимо выполнить следующее условие: общее увеличение не должно превосходить полезное увеличение. Для оптического микроскопа полезное увеличение находится в пределах 500 ¸1000

Апертур взятого объектива. Если, например, взят объектив с апертурой 0,65, то максимальное полезное увеличение оптической системы составит 650. Так как взятый объектив дает увеличение в 40 раз, то увеличение окуляра не должно быть более 15 раз. В противном случае мы получим размытое, нечеткое изображение.