Микроскопия как оптическая система. Ход лучей в микроскопе

ЯГМА

Медицинская физика

Лечебный факультет

Лекция №

«Физика оптической микроскопии»

Составил: Дигурова И.И.

Выполнил: Дзезюля А.М.

Г. Ярославль, 2004 г.

Микроскопия как оптическая система. Ход лучей в микроскопе.

Микроскоп - сложная оптическая система с двумя ступенями увеличения. Предназначен для наблюдения в увеличенном виде близкорасположенных предметов.

· Первая ступень - ОБЪЕКТИВ - центрическая система из 4-10 линз, предназначенная для непосредственного рассмотрения объекта и формирования промежуточного изображения.

· Вторая ступень - ОКУЛЯР - система из 2-5 линз, предназначенная для рассмотрения промежуточного изображения.

Центрическая система - система линз, оптические центры которых находятся в одной плоскости.

Для построения изображения в микроскопе необходимо:

1. объектив и окуляр изобразить в виде тонких собирающих линз;

2. выбрать два луча: первый - через оптический центр линзы, второй - параллельно главной оптической оси;

3. расположить предмет перед главным фокусом объектива;

4. построить промежуточное изображение - оно должно получится за двойным фокусом объектива, а также увеличенным, действительным и обратным (перевернутым вверх ногами). Промежуточное изображение должно располагаться на расстоянии большем, чем фокусное расстояние окуляра;

5. построить окончательное изображение, формируемое окуляром. Оно является увеличенным, мнимым и прямым по отношению к промежуточному изображению. Окончательное изображение будет находится от окуляра на расстоянии наилучшего зрения.

Рис.1:

l -высота предмета;

l₁ - высота промежуточного изображения;

l ₂- окончательное изображение;

Δ -длина тубуса (15-20 см);

L - расстояние наилучшего зрения (25-30 см) - расстояние, на котором глаз под большим углом зрения может длительно осуществлять зрительную работу.

F₁ и F₂ - фокусные расстояния линз 1 и 2 соответственно.

2. Основные характеристики микроскопа:

1) Увеличение микроскопа (Г_М) - безразмерная величина, равная отношению размера окончательного изображения к размеру предмета.

I. Г_М = Г_{объектива} * Г_{окуляра}

Г_{объектива} = l₁/l₂; Г_{окуляра} = l₂/l₁;

Г_М = (l₁*l₂)/(l*l₁);

Г_м = l₂/l.

II. Г_м = (Δ*L)/(f₁*f₂).

Δ- длина тубуса,

L - расстояние наилучшего зрения,

f₁ и f₂ - фокусы объектива и окуляра.

Увеличения окуляра и объектива гравируются на их оправах. У обычных биологических микроскопов объективы дают увеличение 8, 10, 20, 40 и 90; окуляры имеют увеличение 5, 7, 10 и 20. У исследовательских микроскопов увеличение окуляра 20, объектива - 100.

2) Числовая апертура (A) -она характеризует светособирающую и разрешающую способность микроскопа. Апертура равна произведению показателя преломления среды, находящейся между предметом и объективом, на синус апертурного угла.

Апертурный угол (u)- это тот угол, под которым из точки, находящейся в главном корпусе объектива, виден радиус передней линзы объектива.

A = n* sin u.

n - коэффициент преломления,

A - числовая апертура,

u - апертурный угол.

Средой между предметом и объективом могут быть:

· воздух(сухой объектив) - n ≈ 1;

· дистиллированная вода - n = 1,33;

· глицерин - n = 1,49;

· кедровое масло - n = 1,55.

Каждый объектив предназначен для конкретной среды. Апертурный угол для воздушной среды составляет 0º- 40º, для иммерсионной - 1º-30º. Апертура объектива гравируется его на оправе вместе с увеличением. Наименьшая апертура - 0,2. Наибольшая 1,3 у иммерсионных объективов с увеличением 100.

3) Разрешающая способность(R) -способность оптической системы давать раздельные изображения двух предельно близко расположенных точек объекта или его структур. Разрешающая способность обратнопропорциональна пределу разрешения.

Предел разрешения (d) - минимальное расстояние, на которое две структуры видны раздельно.

R = 1/d.

Экспериментально установлено, что предел разрешения зависит от длины волны света (Λ - «лямбда») и от числовой апертуры (А) микроскопа:

d = Λ/2A => R = 2A/ Λ = (2*n*sin u)/ Λ.

Следовательно, для повышения разрешающей способности микроскопа надо использовать коротковолновые излучения и объектив с большой числовой апертурой (иммерсионные среды).