Основы теории микроскопа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Оптика - это раздел физики, который изучает часть электромагнитного поля - оптическое облучение, процессов его распространения. И взаимодействия с веществами. Диапазон длин волн направленных к свету с одной стороны граничит с рентгеновским излучением, а с другой с миллиметровыми радиоволнами.

Физическая оптика рассматривает вопрос, связанный с природой света и световых явлений.

На большинстве этапов создания и объяснения действия оптических и оптико-электронных приборов удобно пользоваться лучевой оптикой, которая рассматривает формирование изображения с помощью световых лучей, которые являются независимыми и прямолинейными в однородной среде и преломляющими (отраженными) на границах распределения сред с разными оптическими свойствами. Такую оптику называют геометрической.

Прикладная оптика включает сведения об отдельных оптических деталях и их совокупностях. Эти сведения основываются на законах и положениях физической и геометрической оптики.

Оптический прибор - это любой прибор, который имеет оптическую систему. Все оптические приборы делятся на две больших группы: оптико-механические и оптико-электронные.

Оптическая система является совокупностью оптических деталей: линз, призм, зеркал, пластин, которые предназначены для формирования изображений.

К основным понятиям геометрической оптики относят следующие понятия: световая точка - источник света, который не имеет размеров; световой луч - линия, которая не имеет поперечных размеров; световой пучок - совокупность световых лучей.

1. Аналитический обзор микроскопа

Микроскоп - оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений малых объектов. Человеческий глаз при нормальной остроте зрения на расстоянии наилучшего зрения (D = 250 мм) может различать мелкую структуру, состоящую из линии или точек, если соседние элементы структуры находятся друг от друга на расстоянии не меньше 0,08 мм. Размеры бактерий, органических клеток, мелких кристаллов, значительно меньше этой величины. Для изучения подобных объектов и предназначаются микроскопы различных типов. С помощью микроскопа определяется форма, размеры и природа микрообъектов. Микроскоп дает возможность различать структуру с расстоянием между элементами до 0,25 мн.

Оптической системой таких офтальмологических приборов как: щелевая лампа, большой безрефлекторный офтальмоскоп является оптической системой микроскопа.

Микроскоп биологический - наиболее распространенный микроскоп для биологических, ботанических, цитологических, микробиологических, медицинских и других работ. Микроскоп применяется также для исследований прозрачных объектов в химии, физике, минералогии и других областях.

Существует большое количество моделей микроскопов биологических, стационарных и дорожных, универсальных и упрощенных. Различные модели значительно отличаются конструктивным оформлением принадлежностями, которые существенно расширяют круг задач, решаемых с помощью биологического микроскопа.

К наиболее распространенным принадлежностям относятся: осветители для освещения препарата в проходящем и отраженном свете, конденсоры для наблюдения в светлом и темном тонах, фазовоконтрасное устройство: окулярные микрометры для измерения размеров объектов, микрофотопосадки для фотографирования препаратов: люминесцентные устройства для исследования люминесценции микрообъектов: микроманипулятор для проведения препарированных работ при больших увеличениях и ряд других принадлежностей.

Одна из наиболее современных моделей - универсальный исследовательский микроскоп МБИ-6, он позволяет исследовать объект в проходящем свете в светлом поле при прямом и косом освещениях, в темном поле и методом фазового контраста- в светлом и темном полях, а также в поляризованном свете.

Особое значение имеют микроскопы для стереоскопического наблюдения объектов, например микроскопы МБС-1 и МБС-2.

Микроскоп для ядерных эмульсий- микроскоп для изучения фото эмульсий, повергшихся бомбардировке элементарными частицами. Пролетая через толщу фото эмульсий, частицы оставляют в ней следы, которые после проявления имеют вид цепочек черных зерен. Известны два типа микроскопа для ядерных эмульсий:

- просмотровые микроскопы, которые служат для розыска следов в эмульсиях;

- измерительные микроскопы, служащие главным образом для измерения степени прямолинейности следов микроскопа отличаются от обычных микроскопов специальными механизмами и оптическими схемами. Так как ядерные эмульсии имеют значительную толщину (0,25-0,9мм), то вместо обычных микроскопов в микроскопе для ядерных эмульсий применяются микрообъективы, рассчитанные для работы с толстослойными препаратами. Отечественной промышленностью выпускается ряд микроскопов для ядерных эмульсий, например МБИ-8м.

Микроскоп измерительный- прибор для измерения размеров объектов. Микроскоп измерительного типа состоит из микроскопа, предметного столика, осветительного устройства и измерительного механизма.

По способу измерения микроскопа измерительного разделяются на два типа:

1. микроскопы, у которых непосредственно измеряется величина изображения объекта в фокальной плоскости окуляра с помощью шкалы или винтового окулярного микрометра и лишь затем, по известному значению увеличения объектива, вычисляется измеренное расстояние на объекте;

2. Микроскопы, в которых, собственно, микроскоп служит лишь для наводки на интересующие места объекта, а расстояние между ними определяется по относительному перемещению микроскопа и объекта измерения этого перемещения производится с помощью микрометренного винта, перемещающего объект или микроскоп, или с помощью шкалы жестко скрепленной с предметным столиком.

Отечественная промышленность изготавливает микроскоп измерительный нескольких марок, из которых наиболее характерны: микроскоп МИ-1, позволяющий производить измерения только по одной оси прямоугольных координат и в полярных координатах.

2. Основные положения теоретического расчета микроскопа

1. Принципиальная оптическая схема:

- ход лучей.

2. Основные оптические характеристики:

- увеличение;

- поля зрения;

- числовая апертура.

3. Разрешающая способность. Полезное увеличение.

4. Зрачки микроскопа.

1. Микроскоп, как и лупа, предназначен для увеличенного рассматривания мелких предметов, в отличии от лупы микроскоп дает перевернутое изображение и может обеспечить большее увеличение, чем лупа. Оптическая система микроскопа состоит из объектива (ближе к объекту) и окуляра (ближе к глазу). Объектив создает увеличенное перевернутое изображение предмета, которое глаз рассматривает через окуляр, как через лупу.

Рисунок 2.1

Из рисунка показан ход лучей в микроскопе, причем объектив и окуляр условно изображены в виде одиночных тонких линз. Предмет АВ расположен между 2Fоб и Fоб, чтобы объектив создавал увеличенное изображение действительное и перевернутое. Это изображение А,В, должно находиться в переднем фокусе окуляра, или вблизи него. Это промежуточное изображение является предметом для окуляра, который работает как лупа и дает увеличенное изображение предмета в (или на расстоянии наилучшего видения, когда А,В, за Fок). В передней фокальной плоскости окуляра F может быть расположена сетка, которую рассматривают через окуляр одновременно с изображением объекта, чтобы оценить размеры предмета.

Расстояние между задним фокусом объектива F,об и передним фокусом окуляра Fок называется оптическим интервалом ^ , или применительно к микроскопу - оптической длиной тубуса микроскопа.

2. Основные оптические характеристики:

- видимое увеличение Г;

- линейное поле 2у;

- числовая апертура А.

Видимое увеличение. Для определенности будем считать, что изображение видимое, тогда предмет должен быть расположен в передней фокусной плоскости микроскопа Fм, поэтому можно считать, что действие микроскопа равносильно действию лупы с фокусным расстоянием.

Поэтому

Из формул для эквивалентной оптической системы, известно, что



Линейное поле 2у микроскопа ограничивается диаметром полевой диафрагмы, где получается действительное промежуточное изображение предмета.

у' = у?воб

С другой стороны диаметр 2у полевой диафрагмы зависит от углового поля окуляра 2щ

у' = f'ок ?tg щ

Приравнивая правые части этих выражений получим:

у•воб = f'ok?tgщ

воб =

у =

2у =

Числовая апертура характеризует светосилу и разрешающую способность. Числовая апертура А = n·sinуa увеличив «n» увеличим а, поэтому применяют так называемые иммерсионные объективы микроскопов. Установим зависимость между апертурой, диаметром выходного зрачка и увеличением микроскопа.

3. Разрешающая способность микроскопа выражается в линейной мере и определяется минимальным расстоянием у между двумя светящимися точками предмета, раздельно видимыми в микроскопе.

Из дифракционной теории образования изображения известно, что

л - длина волны монохроматического света, в котором осуществляется наблюдение. Наименьшее разрешаемое расстояние между двумя точками в пространстве изображений:

Чтобы у было различимо глазом, оно должно соответствовать его разрешающей способности. При наблюдении в микроскоп из-за недостаточного контраста изображения и малого O выходного зрачка предельный угол разрешения глаза принимается несколько большим 1, а именно от 2 до 4, если изображение у рассматривается с расстояния наилучшего видения, то линейный размер этого изображения должен соответствовать:

250 • sin2 = 0,15мм и 250 • sin4 = 0,3мм

Таким образом можно составить неравенство:

Полагая л= 0,00055 мм

529 А Г 1058 А

Или с достаточной степенью точности:

500 А Г 1000 А

Увеличение, удовлетворяющее этому неравенству называют полезным увеличением микроскопа. Применение микроскопа, увеличение которого меньше 500 А не дает возможности различить все те детали, которые разрешают объектив с апертурой А.

Выбирать увеличение большее 1000 А не целесообразно, так как большее увеличение не обеспечивает выявление каких-либо новых деталей в изображении предмета по сравнению с тем, какие различаются при полезном увеличении.

4. Зрачки микроскопа. В сложных объективах микроскопа апертурной диафрагмой является оправа одной из последних линз объектива или специальная диафрагма, установленная вблизи заднего фокуса или в его заднем фокусе Fоб.

Так как апертурная диафрагма находится за объективом, то будет выходным зрачком объектива.

Если апертурная диафрагма находится в Fоб, то точка входного зрачка объектива. Выходной зрачок объектива является зрачком окуляра, а выходной зрачок окуляра является выходным зрачком всего микроскопа, так как входной зрачок окуляра и выходной зрачок сопряжены, то:

Так как Z·Fок всегда больше нуля, то выходной зрачок микроскопа всегда находится за окуляром и может быть совмещен со зрачком глаза наблюдателя. Диаметр зрачка глаза больше диаметра выходного зрачка микроскопа и не ограничивает пучки лучей.

Нормальные размеры в оптической схеме микроскопа. Видимое увеличение микроскопа равняется произведению линейного увеличения объектива на видимое увеличение окуляра

Г = в' ? Гок

Поэтому для получения разных значений видимого увеличения микроскопа их поставляют наборами объективов и очков. На оправе объектива гравируется его линейное увеличение и апертура, а на оправе окуляра - его видимое увеличение.

Тубус микроскопа, в нижнюю часть которого ввертывается объектив, а в верхнюю вставляет окуляр, имеет согласованные посадочные размеры с оправами объективов и окуляров.

В хорошо изготовленном микроскопе при замене одного объектива или окуляра другим не нужно дополнительного наведения на резкость видимого изображения. Это достигается тем, что длина тубуса постоянная, постоянные и положение относительно него предмета и изображение после объектива.

В биологических микроскопах длина тубуса равняется 160 мм, расстояние от предметной плоскости к нижнему срезу тубуса = 33 мм, расстояние от верхнего среза тубуса к плоскости изображения (что совпадает с передней фокальной плоскостью окуляра) равняется 13мм. Отсюда следует, что расстояние от предмета до его изображения при длине тубуса 160 мм равняется 180 мм.

Рисунок 2.2

А = sin дл т.к. n=1

sin дл = А = 0,1 (для объектива N)

дA = 5,78?

tg дA = 0,1

Рисунок 2.3

Удобно откладывать дА не по транспортиру, а по tg дA. Для этого определим высоту падения луча на Ноб hоб=a·tgдA. И на Ноб отложим рассчитанное значение hоб.

3. Габаритный расчет микроскопа

Для габаритного расчета оптической схемы микроскопа должно быть задано:

- увеличение микроскопа Гм = - 42?

- поле зрения микроскопа 2у = 3 мм

- апертура А= 0,15

- Или f 'об или оптическая длина тубуса LT (если она специально не обсуждена, то принимается стандартной и равняется 180 мм).

В результате габаритного расчета нужно определить те параметры, на основании которых можно выбрать имеющиеся в каталогах объектив и и окуляр расстояние между ними и расстояние от предмета до объектива, расчет в тонких компонентах; выбор объектива и окуляра из каталога, определение их конструктивных параметров с учетом необходимых фокусных расстояний, определение габаритов системы в толстых компонентах.

Расчет должен закончиться оптической схемой в масштабе для необходимых конструктивных параметров на миллиметровой бумаге с ходом осевого луча, для необходимой апертуры объектива, и с ходом не осевого луча, для необходимого поля зрения.

3.1 Расчет системы микроскопа в тонких компонентах

1.Используя формулу Гм =воб·Гок задаемся величиной увеличения объектива, воб = 2х и рассчитаем Гок.

2. Зная, Гок по формуле, определяем f'ок.

3. Чертим принципиальную оптическую схему микроскопа в тонких компонентах (см. рис.4.1.)

Рисунок 3.1

4. Определяем расстояние между объективом и окуляром в тонких компонентах Lc.

Lc = f'об + z'об - fok = f'об+f'ok+z'об

f'об и f'ок известные, нужно найти z'об

Если по условию заданная длина оптического тубуса Lт = 180 мм (расстояние от плоскости предмета к плоскости изображения для объектива), то



Решаем эту систему 2х уравнений с двумя неизвестными а и .

В=2

Зная а'об и а по формуле Гаусса находим

f'об

180 мм

мм.

Подставляя Z?об в выражение находим Lc.

= f`об+z`об-fок= 180+180+11,9 = 371,9мм

1. Находим диаметр полевой диафрагмы, расположенной в плоскости действительного промежуточного изображения объектива.

3.2 Выбор объектива и окуляра микроскопа

Нам подходит ахроматический объектив №1(рис.4.2.)

Увеличение Апертура А = 0,1м

Длина тубуса = 160мм фокусное расстояние = 36мм

= -34,6мм = 35,4мм = 10мм

Рисунок 3.2

= 44,96мм = 1мм = 1,65

= 14,25мм = 2мм = 1,51

= -21,88мм

= 3мм

Чтобы знать оптические характеристики нужного нам объектива (Sf ; S') и конструктивные параметры (r, d, n), нужно определить коэффициент перечисления и помножить значение согласно каталогу на этот коэффициент К.

К = .

Умножаем коэффициент и тогда, для нашего объектива получим следующие данные:

= -173мм, = 177мм, = 50мм,

= 224,8мм = 5мм = 1,65

= 71,25мм = 10мм = 1,51

= -109,4мм

= 15мм.

Выбор окуляра делаем на основании:

Гок и 2уок = 2 Дп.д. = 2у'об - величины поля зрения окуляра

Так как , зная Г находим f'ok.

Наиболее подходящий к нашим расчетам окуляр из ГОСТа имеет следующие оптические характеристики:

= 10мм f` = 24,8мм

2l = 14мм 2 = 31

S = 10,2мм = 5,6мм

S = 19,1мм = 11мм

Конструктивные параметры:

= 24,1мм = 3мм = 1,62

= = 25,9мм = 1,52

= 10,2мм = 2,5мм

=

= 31,4мм

Далее рассчитаем коэффициент перечисления для окуляра:

К =

К =

Пересчитываем все параметры относительно коэффициента перечисления и получаем оптические характеристики нашего окуляра:

= -4,8мм 2 = -14,9

2l = -6,7мм = -2,7мм

S = -4,9мм = -5,3мм

S = -9,2мм

И конструктивные параметры получаем следующие:

= -11,6мм = -1,5мм = 1,62

= = -12,4мм = 1,52

= -4,9мм = -1,2мм

=

= -15,1мм

объектив окуляр схема микроскоп

4. Переход к толстым компонентам

На миллиметровой бумаге, в масштабе начертить оптическую схему микроскопа в тонких компонентах для рассчитанных f`об; f`ok; и Lc/

Для тонких компонентов Lмс - это расстояние от Н`об до H`ok, т.е. от задней, главной плоскости объектива к передней главной плоскости окуляра.

Теперь на тонкие компоненты нужно «надеть» толстые. Начнем из объектива.

От Н`об на рис. 2 вправо отложено f`об. От F`об влево отложим S`F, получим точку О3 - вершину третьей поверхности объектива.(Рис.5.1.)

Через точку О3 проведем поверхность радиусом r3. Дальше чертим объектив, для этого по левую сторону от О3 откладываем d2, получаем О2 и через нее проводим поверхность радиусом r2.

От точки О2 по левую сторону откладываем d1, получаем точку О1 и проводим первую поверхность радиусом r1. От точки О1 по левую сторону откладываем Sf, получаем точку Fоб, от Fоб по правую сторону откладываем Sf, получаем Ноб и проводим переднюю главную плоскость объектива.

Переходим к облачению окуляра. Для этого на рис. 5.1. (на миллиметровке) от Нок по левую сторону откладываем Sf и получаем точку О1 - вершину первой поверхности окуляра.

От точки О1 по правую сторону откладываем d1, получаем точку О2. От точки О2 по правую сторону отложить d2 (в нашем случае это 63,6мм) получаем точку О3. От точки О3 по правую сторону откладываем d3 находим точку О4. Через вершины поверхностей О1, О2, О3, О4 проводим радиусами кривизны r1,r2,r3,r4. От точки О4 по правую сторону откладываем отрезок S`, получаем точку F`ok(в нашем примере S`=11,54). От точки F`ok по левую сторону откладываем отрезок f`ok получаем Н`ok через, что проводим заднюю, главную плоскость окуляра.

По миллиметровке определяют продольные габариты L1 и Lполн.

Раньше были рассчитаны а и а. На миллиметровке, на схеме, в толстых компонентах от Ноб откладываем по левую сторону отрезок а, это будет точка предмета А. Через (*)А проводим величину 2в - поле зрения микроскопа (задано по условию). Из (,)А - осевой точки предмета нужно провести осевой пучок под апертурным углом.

Список используемой литературы

1. Полещинский Е.В. Оптика. Конспекты лекций., Уч. пособие, 2011г.

2. Аппельт Г. Введение в методы микроскопических исследований, М., 1959г.

3. Егорова О.В. С микроскопом «на ты». СПб.: Интермедика, 2000г.

4. Михель К. Основы теории микроскопа, М., 1953г.

5. Роменс Б. Микроскопическая техника. М., 1953г.

6. Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., М., 1969г.

Размещено на Allbest.ru

...