Строение и назначение микроскопа

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

Кафедра «Приборы управления»

Реферат

на тему Микроскоп

по дисциплине

«Оптические методы и приборы для научных исследований»

Карабанов А.С.

Тула 2016 г.

ИСТОРИЯ МИКРОСКОПА

Микроскоп - прибор для получения увеличенного изображения объектов или деталей их структуры, не видимых невооруженным глазом. Глаз способен различать детали объекта, отстоящие друг от друга не менее чем на 0,08 мм; с помощью светового микроскопа можно видеть детали, расстояние между которыми составляет до 0,2 мкм; электронный микроскоп позволяет получить разрешение до 0,1-0,01 нм. Способность систем из двух линз увеличивать изображение предметов была известна мастерам, изготовлявшим очки. О таких свойствах полушаровидных и плосковыпуклых линз знали оптики-ремесленники Нидерландов и Северной Италии в XVI в. Есть сведения, что приблизительно в 1590 г. прибор типа микроскопа был построен Янсеном (Z. Jansen) в Нидерландах.

Сначала появились простые микроскопы, состоящие из одного объектива, а затем были сконструированы более сложные, имеющие, кроме объектива, и окуляр. Быстрое распространение и совершенствование микроскопов началось после того, как Галилей (G. Galilei), совершенствуя сконструированную им зрительную трубу, стал использовать ее как своеобразный микроскоп (1609--1610), изменяя расстояние между объективом и окуляром. Позднее, в 1624 г., добившись изготовления более короткофокусных линз, Галилей значительно уменьшил габариты своего микроскопа. В 1625 г. членом Римской «Академии зорких» («Akudemia dei lincei») И. Фабером был предложен термин «микроскоп». Первые успехи, связанные с применением микроскопа в научных биологических исследованиях, были достигнуты Гуком (R. Hooke), который первым описал растительную клетку (около 1665 г.).

А. Левенгук (A. van Leenwenhoek) с помощью микроскопа обнаружил и зарисовал сперматозоиды различных простейших, детали строения костной ткани (1673--1677).

В 1668 г. Е. Дивини, присоединив к окуляру полевую линзу, создал окуляр современного типа; в 1673 г. Гавелий ввел микрометрический винт, а Гертель предложил под столик микроскопа поместить зеркало. Таким образом, микроскоп стали монтировать из тех основных деталей, которые входят в состав современного биологического микроскопа.В начале XVIII в. микроскопы появились в России; здесь Эйлер (Z. Euler) впервые разработал методы расчета оптических узлов микроскопа. В XVIII и XIX вв. микроскопы продолжали совершенствоваться. В 1827 г. Амичи (G.В. Amici) впервые применил иммерсионный объектив. В конце XVII -- начале XIX в. была предложена конструкция и дан расчет ахроматических объективов для микроскопов, благодаря чему их оптические качества значительно улучшились, а увеличение объектов, обеспечиваемое таким микроскопом, возросло с 500 до 1000 раз.В 1850 г. английский оптик Сорби (Н.С. Sorby) сконструировал первый микроскоп для наблюдения объектов в поляризованном свете. В 1872--1873 гг. Аббе (Е. Abbe) разработал ставшую классической теорию образования изображений несамосветящихся объектов в микроскопе.

Труды английского оптика Дж. Сиркса (1893) положили начало интерференционной микроскопии. В 1903 г. Р. Жигмонди (R. Zsigmondy) и Зидентопф (Н. Siedentopf) создали ультрамикроскоп, в 1911 г. Саньяком (М. Sagnac) был описан первый двухлучевой интерференционный микроскоп, в 1935 г. Зернике (F. Zernicke) предложил использовать метод фазового контраста для наблюдения в микроскопах прозрачных, слабо рассеивающих свет объектов. В середине XX в. был изобретен электронный

микроскоп, в 1953 г. финским физиологом Вильской (A. Wilska) был изобретен аноптральный микроскоп. Большой вклад в разработку проблем теоретической и прикладной оптики, усовершенствование оптических систем микроскопа и микроскопической техники внесли М.В. Ломоносов, И.П. Кулибин, Л.И. Мандельштам, Д.С. Рождественский, А.А. Лебедев, С.И. Вавилов, В.П. Линник, Д.Д. Максутов и др.

ВИДЫ МИКРОСКОПОВ

Для исследования объектов разного типа, и в зависимости от требуемой величины оптического разрешения и других требований, созданы разные микроскопы:

· Оптические микроскопы

· Микроскопы универсального назначения

§ Монокулярные микроскопы

§ Бинокулярный микроскоп и настольный стереоувеличитель

· Специальные микроскопы:

§ Металл-микроскоп

§ Поляризационный микроскоп

§ Флюоресцентный наноскоп и люминесцентный микроскоп

§ Ближнепольный оптический микроскоп

§ Дифференциальный интерференционно-контрастный микроскоп

· Электронные микроскопы

· Рентгеновские микроскопы

§ Рентгеновские микроскопы отражательные

§ Рентгеновские микроскопы проекционные

§ Рентгеновские микроскопы флюоресцентные с применением планарных преломляющих, фокусирующх Х-лучи линз.

· Лазерный рентгеновский микроскоп

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ПРОСТОГО И СЛОЖНОГО МИКРОСКОПА

Простой микроскоп - это одна система линз. Простым микроскопом можно считать обычную лупу - плосковыпуклую линзу. Сложный микроскоп (который часто называют просто микроскопом) представляет собой комбинацию двух простых.

Сложный микроскоп дает большее увеличение, чем простой, и обладает большей разрешающей способностью. Разрешающая способность - это возможность различения деталей образца. Увеличенное изображение, на котором неразличимы подробности, дает мало полезной информации.

Сложный микроскоп имеет двухступенчатую схему. Одна система линз, называемая объективом, подводится близко к образцу; она создает увеличенное и разрешенное изображение объекта. Изображение далее увеличивается другой системой линз, называемой окуляром и помещающейся ближе к глазу наблюдателя. Эти две системы линз расположены на противоположных концах тубуса.

ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ В МИКРОСКОПЕ

Микроскоп применяют для получения больших увеличений при наблюдении мелких предметов. Увеличенное изображение предмета в микроскопе получается с помощью оптической системы, состоящей из двух короткофокусных линз - объектива O1 и окуляра O2 (рис. 6.01). Объектив даст действительное перевернутое увеличенное изображение предмета. Это промежуточное изображение рассматривается глазом через окуляр, действие которого аналогично действию лупы. Окуляр располагают так, чтобы промежуточное изображение находилось в его фокальной плоскости; в этом случае лучи от каждой точки предмета распространяются после окуляра параллельным пучком.

Рисунок 6.01 Ход лучей в микроскопе.

микроскоп луч прибор

Мнимое изображение предмета, рассматриваемое через окуляр, всегда перевернуто. Если же это оказывается неудобным (например, при прочтении мелкого шрифта), можно перевернуть сам предмет перед объективом. Поэтому угловое увеличение микроскопа принято считать положительной величиной.

Как следует из рис. 6.01, угол зрения ц предмета, рассматриваемого через окуляр в приближении малых углов,

Приближенно можно положить d ? F1 и f ? l, где l - расстояние между объективом и окуляром микроскопа («длина тубуса»). При рассматривании того же предмета невооруженным глазом

В результате формула для углового увеличения г микроскопа приобретает вид

Хороший микроскоп может давать увеличение в несколько сотен раз. При больших увеличениях начинают проявляться дифракционные явления.

У более сложных микроскопов объектив и окуляр представляют собой сложные оптические системы, в которых устранены различные аберрации.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА МИКРОСКОПА

Простейший микроскоп состоит из двух собирающих линз. Короткофокусный объектив L1 даёт сильно увеличенное действительное изображение предмета P'Q'. Которое рассматривается окуляром как лупой

Рис.7.01

Обозначим линейное увеличение, даваемое объективом, через n1, а окуляром через n2, это значит , что = n1 и = n2 ,

где P'Q' - увеличенное действительное изображение предмета;

PQ - размер предмета;

P''Q'' - увеличенное мнимое изображение предмета;

n1 - линейное увеличение объектива;

n2 - линейное увеличение окуляра.

Перемножив эти выражения , получим = n1 n2 ,

где PQ - размер предмета;

P''Q'' - увеличенное мнимое изображение предмета;

n1 - линейное увеличение объектива;

n2 - линейное увеличение окуляра.

Отсюда видно, что увеличение микроскопа равно произведению увеличений, даваемых объективом и окуляром в отдельности. Поэтому возможно построить инструменты, дающие очень большие увеличения - до 1000 и даже больше. В хороших микроскопах объектив и окуляр - сложные.

Окуляр обычно состоит из двух линз объектив же гораздо сложнее. Желание получить большие увеличения заставляют употреблять короткофокусные линзы с очень большой оптической силой. Рассматриваемый объект ставится очень близко от объектива и дает широкий пучок лучей, заполняющий всю поверхность первой линзы. Таким образом , создаются очень невыгодные условия для получения резкого изображения: толстые линзы и нецентральные лучи. Поэтому для исправления всевозможных недостатков приходится прибегать к комбинациям из многих линз различных сортов стекла.

В современных микроскопах теоретический предел уже почти достигнут. Видеть в микроскоп можно и очень малые объекты, но их изображения представляются в виде маленьких пятнышек, не имеющих никакого сходства с объектом.

При рассматривании таких маленьких частиц пользуются так называемым ультрамикроскопом, который представляет собой обычный микроскоп с конденсором, дающим возможность интенсивно освещать рассматриваемый объект сбоку, перпендикулярно оси микроскопа.

С помощью ультрамикроскопа удаётся обнаружить частицы, размер которых не превышает миллимикронов.

ПРЕДЕЛ РАЗРЕШЕНИЯ МИКРОСКОПА

В случае микроскопа объект располагается вблизи переднего фокуса объектива. Интерес представляет линейный размер деталей объекта, разрешаемых с помощью микроскопа. Изображение, даваемое объективом, располагается на достаточно большом расстоянии L>>F. У стандартных микроскопов L = 16 см, а фокусное расстояние объектива - несколько миллиметров. Объект может располагаться в среде, показатель преломления которой n > 1 (иммерсия).

Радиус пятна Эйри в плоскости изображения равен 1.22L/D, где D - диаметр объектива. Следовательно, микроскоп позволяет разрешить две близкие точки объекта, находящиеся на расстоянии l, если центры их дифракционных изображений окажутся на расстоянии l', превышающим радиус дифракционного пятна (критерий Рэлея).

(2.7)

Рисунок 9.01.

Здесь u'= D/2L - угол, под которым виден радиус объектива из плоскости изображения (рис. 9.01).

К условию синусов Аббе.

Чтобы перейти к линейным размерам самого объекта, следует воспользоваться так называемым условием синусов Аббе, которое выполняется для любого объектива микроскопа:

(2.8)

При написании последнего выражения принята во внимание малость угла u'. Отсюда для предела разрешения объектива микроскопа получаем выражение:

(2.9)

Угол 2u называют аппретурным углом, а произведение n*sinu - числовой апертурой. У хороших объективов угол u близок к теоретическому пределу u=/2. Полагая для примера показатель преломления иммерсионной жидкости n = 1,5, получим оценку: lmin=0,4.

ЗАМЕЧАНИЕ О МАКСИМАЛЬНОМ УВЕЛИЧЕНИИ МИКРОСКОПА

Микроскопе изображение, полученное с помощью объектива, рассматривается глазом через окуляр. Для того, чтобы реализовать полностью разрешающую способность объектива система окуляр-глаз не должна вносить дополнительных дифракционных искажений. Это достигается целесообразным выбором увеличения оптического инструмента (телескопа или микроскопа). При заданном объективе задача сводится к подбору окуляра. На основании общих соображений волновой теории можно сформулировать следующее условие, при котором будет полностью реализована разрешающая способность объектива: диаметр пучка лучей, выходящих из окуляра не должен превышать диаметра зрачка глаза d3p . Таким образом, окуляр оптического инструмента должен быть достаточно короткофокусным.

Размещено на Allbest.ru