Johdatus optisen mikroskoopin pääsovellusalueisiin
Optinen mikroskooppi on ikivanha ja nuori tieteellinen työkalu. Sillä on syntymästään 300 vuoden historia. Optisella mikroskoopilla on laaja käyttöalue. Esimerkiksi biologiassa, kemiassa, fysiikassa, tähtitiedessä jne. se on joissakin tieteellisissä tutkimuksissa erottamaton mikroskoopista.
Eri käyttötarkoitusten mukaan mikroskoopit voidaan karkeasti luokitella neljään luokkaan: biologiset mikroskoopit, metallografiset mikroskoopit, stereomikroskoopit ja polarisaatiomikroskoopit. Kuten nimestä voi päätellä, biologisia mikroskooppeja käytetään pääasiassa biolääketieteessä, ja havaintoobjektit ovat enimmäkseen läpinäkyviä tai läpikuultavia mikrokappaleita; metallografisia mikroskooppeja käytetään pääasiassa läpinäkymättömien esineiden pinnan, kuten materiaalien metallografisen rakenteen ja pintavirheiden tarkkailuun; stereoskooppiset mikroskoopit suurentavat mikroobjekteja, mutta ne tekevät myös esineitä ja kuvia samassa suunnassa suhteessa ihmissilmään, ja niillä on syvyyden tunne, mikä on sopusoinnussa ihmisten tavanomaisten visuaalisten tapojen kanssa; Polarisoivat mikroskoopit käyttävät eri materiaalien läpäisy- tai heijastusominaisuuksia polarisoidussa valossa erilaisten mikroobjektien komponenttien erottamiseen. Lisäksi joitain erikoistyyppejä voidaan myös jakaa alaryhmiin. Esimerkiksi käänteinen biologinen mikroskooppi tai viljelymikroskooppi on biologinen mikroskooppi, jota käytetään pääasiassa viljelmän tarkkailuun viljelyastian pohjan läpi; fluoresenssimikroskooppi käyttää tiettyjen aineiden ominaisuuksia absorboimaan valoa tietyllä lyhyemmällä aallonpituudella ja emittoimaan valoa tietyllä pitemmällä aallonpituudella selvittääkseen näiden aineiden olemassaolon ja määrittääkseen niiden sisällön; Vertailumikroskoopilla voidaan muodostaa rinnakkaisia tai päällekkäisiä kuvia kahdesta samassa näkökentässä olevasta kohteesta vertaillakseen näiden kahden kohteen välisiä yhtäläisyyksiä ja eroja.
Perinteiset optiset mikroskoopit koostuvat pääasiassa optisista järjestelmistä ja niitä tukevista mekaanisista rakenteista. Optiset järjestelmät sisältävät objektiivilinssit, okulaarit ja kondensaattorilinssit, jotka kaikki ovat monimutkaisia erilaisista optisista laseista valmistettuja suurennuslaseja. Objektiivin linssi suurentaa näytettä ja sen suurennus Mobject määritetään seuraavalla kaavalla: Mobject =Δ∕f'objekti, jossa f'objekti on objektiivin polttoväli ja Δ voidaan ymmärtää etäisyydeksi objektiivin ja okulaarin välissä. Okulaari suurentaa objektiivin muodostamaa kuvaa uudelleen ja muodostaa virtuaalisen kuvan 250 mm:n etäisyydellä ihmissilmän edessä havainnointia varten. Tämä on mukavin havaintoasento useimmille ihmisille. Okulaarin suurennus M=250/f' eye, missä f' on okulaarin polttoväli. Mikroskoopin kokonaissuurennus on objektiivin ja okulaarin tulo, eli M=M objekti*M silmä=Δ*250/f' eye *f; esine. Voidaan nähdä, että objektiivin ja okulaarin polttovälin pienentäminen lisää kokonaissuurennusta, joka on avain bakteerien ja muiden mikro-organismien näkemiseen mikroskoopilla, ja se on myös ero sen ja tavallisten suurennuslasien välillä.
Onko siis mahdollista pienentää f'objektin f'-verkkoa ilman rajoituksia suurennoksen lisäämiseksi, jotta voimme nähdä hienovaraisempia kohteita? Vastaus on ei! Tämä johtuu siitä, että kuvantamiseen käytetty valo on pohjimmiltaan eräänlainen sähkömagneettinen aalto, joten diffraktio- ja interferenssiilmiöitä esiintyy väistämättä etenemisprosessin aikana, aivan kuten jokapäiväisessä elämässä näkyvät aaltoilut veden pinnalla voivat kiertää esteitä vastaan. , ja kaksi vesiaaltopylvästä voivat vahvistaa tai heikentää toisiaan kohtaaessaan. Kun pistemäisen valaisevan esineen lähettämä valoaalto tulee objektiiviin, objektiivilinssin kehys estää valon etenemisen, mikä johtaa diffraktioon ja häiriöihin. Objektiivilinssin läpi kulkemisen jälkeen se ei voi enää kerääntyä yhteen pisteeseen, vaan muodostaa tietynkokoisen valopisteen, ja sen reunalla on sarja heikkoja ja vähitellen heikkeneviä valorenkaita. Kutsumme keskeistä valopilkkua ilmavaksi levyksi. Kun kaksi valoa säteilevää pistettä ovat lähellä tiettyä etäisyyttä, kaksi valopistettä menevät päällekkäin, kunnes niitä ei voida tunnistaa kahdeksi valopisteeksi. Rayleigh ehdotti arviointistandardia, ajatellen, että kun kahden valopisteen keskipisteiden välinen etäisyys on yhtä suuri kuin Airy-kiekon säde, kaksi valopistettä voidaan erottaa. Laskennan jälkeen kahden valoa emittoivan pisteen välinen etäisyys tällä hetkellä on e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA Kaavassa In on valon aallonpituus, ja valon aallonpituus, jonka ihmissilmä voi vastaanottaa, on noin 0.4-0.7um, ja n on sen väliaineen taitekerroin, jossa valoa emittoiva piste sijaitsee. Esimerkiksi ilmassa n≈1, vedessä n≈1,33 ja A on puolet luminoivan pisteen avautumiskulmasta objektiivin kehykseen nähden, ja NA:ta kutsutaan objektiivin numeeriseksi aukoksi. Yllä olevasta kaavasta voidaan nähdä, että kahden pisteen välinen etäisyys, jonka objektiivilinssi voi erottaa, on rajoitettu valon aallonpituuden ja numeerisen aukon mukaan. Koska herkimmän ihmissilmän aallonpituus on noin 0,5 um ja kulma A ei saa ylittää 90 astetta, sinA on aina pienempi kuin 1. Käytettävissä olevan valoa läpäisevän valon suurin taitekerroin medium on noin 1,5, joten e:n arvo on aina suurempi kuin 0.2um, joka on pienin rajaetäisyys, joka voidaan selvittää optisella mikroskoopilla. Suurenna kuvaa mikroskoopin läpi. Jos haluat suurentaa objektipisteen etäisyyttä e, jonka objektiivilinssillä voidaan erottaa tietyllä NA-arvolla, joka riittää ihmissilmälle, tarvitset Me suurempi tai yhtä suuri kuin 0,15 mm, missä { {29}},15 mm on pienin etäisyys kahden mikroobjektin välillä, jotka ihmissilmä voi erottaa 250 mm:n etäisyydellä silmiesi edessä, joten M Suurempi tai yhtä suuri kuin (0,15∕0,61)NA ≈500N.A. Riittää kaksinkertaistaa suurennus, eli 500N.A Pienempi tai yhtä suuri kuin M Pienempi tai yhtä suuri kuin 1000N.A, mikä on kohtuullinen valintaalue mikroskoopin kokonaissuurennokselle. Riippumatta siitä, kuinka suuri kokonaissuurennus on, se on merkityksetöntä, koska objektiivin numeerinen aukko on rajoittanut pienintä erotettavaa etäisyyttä, ja pienempiä kohteen yksityiskohtia on mahdotonta erottaa suurentamalla suurennusta.
Kuvan kontrasti on toinen avainkysymys optisissa mikroskoopeissa. Ns. kontrastilla tarkoitetaan kuvan pinnan vierekkäisten osien mustavalkokontrastia tai värieroa. Ihmissilmän on vaikea arvioida kirkkauseroa alle 0.02, mutta se on hieman herkempi värierolle. Joidenkin mikroskoopin esineiden, kuten biologisten näytteiden, yksityiskohtien kirkkausero on hyvin pieni, ja mikroskoopin optisen järjestelmän suunnittelu- ja valmistusvirheet vähentävät edelleen kuvan kontrastia ja vaikeuttavat erottamista. Tällä hetkellä kohteen yksityiskohtia ei voida nähdä selvästi.
Vuosien mittaan ihmiset ovat työskennelleet kovasti parantaakseen mikroskoopin resoluutiota ja kuvantamisen kontrastia. Tietotekniikan ja työkalujen jatkuvan kehittymisen myötä myös optisen suunnittelun teoriaa ja menetelmiä on jatkuvasti kehitetty. Yhdessä raaka-aineiden suorituskyvyn parantamisen, teknologian ja havaintomenetelmien jatkuvan parantamisen sekä havaintomenetelmien innovaation kanssa optisen mikroskoopin kuvantamisen laatu on lähestynyt diffraktiorajan täydellisyyttä. Ihmiset käyttävät näytteiden värjäystä, tummaa kenttää, vaihekontrastia, fluoresenssia, interferenssiä ja polarisoitua valoa. Kuvantamisinstrumentit ovat ilmestyneet yksi toisensa jälkeen ja niillä on joissakin asioissa ylivoimainen suorituskyky, mutta ne eivät silti pysty kilpailemaan optisten mikroskooppien kanssa halvuudella, mukavuudella, intuitiolla ja erityisen sopivilla elävien organismien tutkimukseen. Optiset mikroskoopit ovat edelleen tiukasti omassa asemassaan. Toisaalta, yhdistettynä laseriin, tietokoneeseen, uuteen materiaaliteknologiaan ja tietotekniikkaan, ikivanha optinen mikroskooppi on nuorentava ja osoittanut voimakasta elinvoimaa. Digitaaliset mikroskoopit, laserkonfokaaliset pyyhkäisymikroskoopit, lähikenttäpyyhkäisymikroskoopit, kaksifotonimikroskoopit ja instrumentit, joissa on useita uusia toimintoja tai jotka voivat mukautua erilaisiin uusiin ympäristöolosuhteisiin, ilmaantuu loputtomana virtana, mikä laajentaa entisestään optisten mikroskooppien sovellusaluetta. esimerkkejä. Kuinka jännittäviä ovatkaan Mars-kulkijoilta ladatut kivimuodostelmien mikroskooppiset kuvat! Voimme täysin uskoa, että optinen mikroskooppi hyödyttää ihmiskuntaa päivitetyllä asenteella.
