авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

Введение 1

КОМПЛЕКТ

учебно-методических комплексов дисциплин

по тематическому направлению деятельности

национальной

нанотехнологической сети

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ»

2 Оптическая микроскопия

БИБЛИОТЕКА «НАНОИНЖЕНЕРИЯ»

В семнадцати книгах

1. МЕТОДЫ МИКРОСКОПИИ

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

В НАНОИНЖЕНЕРИИ

3. ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В НАНОИНЖЕНЕРИИ 4. МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ 3D-ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОСИСТЕМ 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ НАНОСИСТЕМ 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОСЕНСОРОВ 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ НАНОСИСТЕМ 8. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ НАНОСИСТЕМ 9. МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ В НАНОИНЖЕНЕРИИ 10. ЭЛИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ 11. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 12. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ 13. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОСИСТЕМ 14. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИКРО И НАНОСИСТЕМ 15. БИОНАНОИНЖЕНЕРИЯ 16. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОИНЖЕНЕРИИ 17. САПР НАНОСИСТЕМ Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана Москва Введение Власов А. И., Елсуков К. А., Косолапов И. А.

ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ Учебно-методический комплекс по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия»

Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, члена-корреспондента РАН, профессора В. А. Шахнова Допущено учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 152200 «Наноинженерия»

4 Оптическая микроскопия УДК 361.3.06;

621. ББК 32. В УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного контракта № 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2 федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы»

Р еце нз е нт ы:

кафедра «Вакуумная электроника» Московского физико-технического института (зав. кафедрой, академик РАН А. С. Бугаев);

кафедра «Электроника и информатика» Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского (зав. кафедрой, профессор С. Б. Беневоленский) Власов А. И.

В58 Оптическая микроскопия : учеб. пособие / А. И. Власов, К. А. Ел суков, И. А. Косолапов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011.

– 184 с. : ил. (Библиотека «Наноинженерия» : в 17 кн. Кн. 12).

ISBN 978-5-7038-3503-6 (кн. 12) ISBN 978-5-7038-3509- Методические материалы по дисциплине «Оптическая микроскопия»

содержат нормативную базу дисциплины, рекомендации по организации и проведению лекций, практических занятий, семинаров, лабораторных работ и деловых игр, перечень учебных видео- и аудиоматериалов, слай дов, типовых плакатов и другие дидактические материалы для работы профессорско-преподавательского состава по данной дисциплине.

Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Оптическая микроскопия» содержат описания лабораторных работ, ос новные теоретические положения и общие методические рекомендации по проведению и организации лабораторного практикума по курсу «Оптиче ская микроскопия».

Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических учебных заведений по направлению подготовки «Нанотехнология» с про филем подготовки «Наноинженерия». Будут полезны всем, занимающим ся вопросами нанотехнологий, наноинженерии, проектированием МЭМС и НЭМС, созданием электронных систем различного назначения.

УДК 361.3.06;

621. ББК 32. Власов А. И., Елсуков К. А., Косолапов И. А., Министерство образования и науки РФ, Оформление. Издательство МГТУ ISBN 978-5-7038-3503-6 (кн. 12) ISBN 978-5-7038-3509-8 им. Н. Э. Баумана, Введение ПРЕДИСЛОВИЕ Успех в продвижении России по нанотехнологическому пути развития во многом будет зависеть от эффективности системы подготовки кадров, для создания и развития которой необходимо современное и качественное учебно-методическое обеспечение.

Основная особенность нанотехнологии – ее междисциплинар ный характер, который требует особых методических приемов и подбора соответствующего научного и учебного материала.

В настоящее время имеется существенная нехватка учебно методического обеспечения такого характера. Поэтому адаптация учебно-методического обеспечения для подготовки кадров по про граммам высшего профессионального образования для тематиче ских направлений ННС и его апробация на базе ведущих универ ситетов Российской Федерации направлены на реализацию инно вационной модели образования, подразумевающую тесную связь учебного и научно-исследовательского процесса на базе проект ных методов обучения, современных экспериментальных методик и перспективных технологических процессов создания наномате риалов, наноструктур, приборов, устройств и систем на их основе.

Современные образовательные программы должны обеспечивать приобретение студентами профессиональных навыков и компе тенций, необходимых для эффективной и самостоятельной работы в наноиндустрии.

В связи с этим актуальной задачей является разработка и изда ние УМК, которые обеспечат учебно-методическую поддержку подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным программам высшего профессионального образования по темати ческому направлению деятельности ННС «Наноинженерия» обра зовательными учреждениями высшего профессионального образо вания на территории Российской Федерации.

Целью создания данного комплекта УМК является повышение эффективности междисциплинарной подготовки бакалавров и ма гистров путем распространения передового опыта в разработке 6 Оптическая микроскопия УМО среди вузов, осуществляющих подготовку по тематическим направлениям ННС, и внедрения компонентов вариативного мар шрутного обучения на базе адаптированного учебно-методиче ского комплекса дисциплин по тематическому направлению дея тельности ННС «Наноинженерия».

УМК разработаны коллективом авторов в рамках реализации федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры на ноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы».

На базе представленных УМК создана вариативная система маршрутного междисциплинарного обучения студентов по тема тическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия», обеспечивающая подготовку квалифицированных специалистов с соответствующими профилями. Разработаны электронные вер сии учебно-методических комплексов дисциплин на основе Web версии, соответствующей стандарту SCORM 2004, 3rd edition (http://nanolab.iu4.bmstu.ru).

Глубокую благодарность авторы выражают рецензентам: А. С. Бу гаеву – академику РАН, заведующему кафедрой Московского физи ко-технического института, и С. Б. Беневоленскому – профессору, заведующему кафедрой Российского государственного технологиче ского университета им. К. Э. Циолковского, чьи замечания способст вовали улучшению содержания УМК.

Разработанные 17 УМК обеспечат учебно-методическую под держку подготовки бакалавров и магистров по основным образо вательным программам высшего профессионального образования по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем подго товки «Наноинженерия» образовательными учреждениями высше го профессионального образования на территории Российской Фе дерации.

Авторы будут признательны читателям за все замечания по со держанию УМК, которые следует направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., МГТУ им. Н. Э. Баумана.

В. А. Шахнов Введение СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ АСМ – атомно-силовая микроскопия ДНК – дизоксирибонуклеиновая кислота ИС – интегральная схема КНИ – кремний-на-изоляторе МЛЭ – молекулярно-лучевая эпитаксия МПВ – метод постоянной высоты МПТ – метод постоянного тока МСМ – магнитно-силовая микроскопия МЭМС – микроэлектромеханическая система НПМ – нанопористый материал НРС – наноразмерная структура НЭМС – наноэлектромеханическая система ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия РСМА – рентгеноспектральный микроанализ РЭМ – растровая электронная микроскопия СБИС – сверхбольшие интегральные схемы СБОМ – сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия СВД – спектрометр волновой дисперсии СВЧ – сверхвысокие частоты СЗМ – сканирующая зондовая микроскопия СТМ – сканирующая туннельная микроскопия СЭМ – сканирующая электронная микроскопия УФ – ультрафиолет ЧЭ – чувствительный элемент ЭСМ – электростатическая силовая микроскопия 8 Оптическая микроскопия ВВЕДЕНИЕ Дисциплина «Оптическая микроскопия» охватывает основные вопросы по проведению измерений различными методами и мето диками, анализа результатов измерений, а также выработке выво дов по наиболее эффективному и адекватному применению при работе на различных типах электронных микроскопов.

Методологически дисциплина «Оптическая микроскопия» стро ится на основе оптимального соотношения теоретических и при кладных вопросов с обязательным участием студентов в самостоя тельном изучении особенностей процессов исследования нано объектов и наносистем. Программа дисциплины направлена на решение задач, которые ставятся перед специалистами в совре менных условиях разработки и производства наносистем, тре бующих широких знаний как в области проектирования и техно логии производства ЭС, так и в методах их сертификации и изме рений. Лабораторные работы, включенные в состав дисциплины «Оптическая микроскопия», спланированы таким образом, чтобы студенты могли осознать, закрепить и расширить знания, получен ные на предшествующих им лекциях, а также смогли сами провес ти измерения наносистем самыми распространёнными методами.

Учитывая большое разнообразие измерительных методов, ме тодологий и приборов для проведения измерений, в состав курса «Оптическая микроскопия» включены лабораторные работы по основным методам измерений на оптическом микроскопе. Лабора торные работы ориентируют студентов на решение типовых задач исследования и анализа микро- и нанообъектов, возникающих при производстве элементной базы электронной аппаратуры, выбор соответствующих поставленной задаче методов и методик прове дения измерений, обладающих максимальной эффективностью.

Темы лабораторных работ и их содержание связаны с формирова нием и развитием у будущих специалистов практических навыков измерения, анализа результатов измерений и формулирования вы водов по наиболее эффективному применению методов и средств оптической микроскопии.

Введение Лабораторные работы по дисциплине «Оптическая микроско пия» строятся по принципу максимального охвата оборудования, проведения экспериментов на оборудовании и анализ результатов эксперимента. В основу положен принцип участия студентов в решении некоторых локальных задач, исследование которых может выходить за рамки курса обучения в целях улучшения са моподготовки и приобретения дополнительных навыков работы с оборудованием. Состав лабораторных работ составлен таким об разом, что студент будет иметь представление и получит необхо димые навыки работы с теми типами оборудования, которые ис пользуются в НИИ, на крупных предприятиях для общих и спе циализированных исследований.

Лабораторные работы по дисциплине «Оптическая микроско пия» составлены таким образом, чтобы одна часть знаний была получена непосредственно при подготовке и проведении лабора торных работ, а другая часть – при самостоятельном изучении учебно-методических документов и учебной литературы под кон тролем преподавателя.

В составе дисциплины «Оптическая микроскопия» предусмот рены теоретические разделы, по которым имеются доступные учебно-методические документы и учебная литература, изучаемые студентами самостоятельно под контролем преподавателя. Содер жание соответствующих тем разделов направлено на усиление роли фундаментальных знаний в теоретической и практической подготовке студентов и способствует формированию фундамен тальных системных знаний и развитию творческих способностей будущих специалистов.

10 Оптическая микроскопия 1. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Основная цель дисциплины: освоение базовых методик про ведения научного эксперимента средствами микроскопии.

Задачи дисциплины: формирование теоретических и практи ческих навыков работы с методами и средствами микроскопии.

1.1. ВВЕДЕНИЕ В ОПТИЧЕСКУЮ МИКРОСКОПИЮ 1.1.1. ИСТОРИЯ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ До создания рентгеновских микроскопов работали с оптиче скими приборами, использующих лучи видимого света, так как и глаз работает в оптическом диапазоне длин волн. Соответствен но оптические микроскопы не могли иметь разрешения менее по лупериода волны опорного излучения (для видимого диапазона длина волн 0,4–0,7 мкм, или 400–700 нм) c возможным макси мальным увеличением в 2000 раз.

Идея просвечивающего электронного микроскопа состояла в замене опорного электромагнитного излучения на электронный пучок. Известно, что для увеличения разрешения микроскопов, использующих электромагнитное излучение, необходимо умень шение длины волны электромагнитного излучения от ультрафио летового диапазона вплоть до рентгеновского (длина волны со поставима с межатомными расстояниями в веществе) и основная трудность состоит в фокусировке ультрафиолетовых и, тем бо лее, рентгеновских лучей. Последние вообще не поддаются фо кусировке.

Особенность взаимодействия рентгеновских лучей с веществом отличает рентгеновские оптические системы от оптических сис тем для световых и электронных лучей. Малое отклонение пока Конспект лекций зателя преломления рентгеновских лучей от единицы (меньше чем на 10–4) практически не позволяет использовать для их фокусиров ки линзы и призмы. Электрические и магнитные линзы для этой цели также неприменимы, так как рентгеновские лучи инертны к электрическому и магнитному полям. Поэтому в рентгеновской микроскопии для фокусировки рентгеновских лучей используют явление их полного внешнего отражения изогнутыми зеркальными плоскостями или отражение от кристаллографических изогнутых плоскостей. На этом принципе построены отражательные рентге новские микроскопы.

1.1.2. УСТРОЙСТВО И СОВРЕМЕННЫЕ ЗАДАЧИ Методы исследования биологических объектов при помощи микроскопов имеют очень давнюю историю и позволили за это время получить ряд фундаментальных, важнейших результатов.

Несмотря на то что оптическая микроскопия насчитывает более 300 лет, она не утратила свои позиции, а введение новых методов и техники исследований (флюоресцентная микроскопия, конфо кальная микроскопия, микроскопия ближнего поля) определяет ее приоритетное значение в настоящее время. Микроскоп вошел в практику научных исследований с того момента, как были под мечены увеличительные свойства воды. И хотя увеличительные стекла и другие виды простейших микроскопов все еще применя ются и в настоящее время, область микроскопии столь велика, что первые исследователи вряд ли могли себе такое представить. Пер вые наблюдения микроорганизмов были сделаны А. Левенгуком еще в 1673 г. За три столетия микроскоп, конечно, существенно преобразился, но его суть как прибора для получения увеличенных изображений объектов, невидимых невооруженным глазом, оста лась неизменной. Микроскоп и сейчас является главным инстру ментом исследователя-морфолога и врача-лаборанта. Несмотря на значительные успехи, полученные другими методами исследова ния клеток, для анализа живых одиночных клеток наиболее пер спективна оптическая микроскопия. С этим связан буквально бум, который происходит в последние годы в появлении принципиально новых схем и методов оптической микроскопии. Можно сказать, что развитие биологических наук в некоторой степени зависит от создания нового класса микроскопов и техники, однако наиболее популярным на сегодняшний день является микроскоп, имеющий 12 Оптическая микроскопия такую же оптическую конструкцию, как и микроскопы, которые создавались в первой половине XX столетия.

Эти микроскопы все еще широко применяются, так как они сравнительно недороги, просты в использовании и надежны для по вседневных, рутинных исследований, составляющих основу любой научной работы. В настоящем разделе мы, наряду с изложением традиционных вопросов микроскопии, постарались осветить совре менные разработки в данной области, которые уже нашли примене ние при исследовании прижизненной цитологии клетки. Сделана также попытка, с одной стороны, указать на те перспективные на правления в микроскопии, которые представляют наибольший ин терес для медицины и, с другой стороны, на возможность удовле творения этого интереса современными методами оптоэлектроники и компьютерного анализа оптической информации.

1.2. ГЛАЗ И ЕГО СВОЙСТВА 1.2.1. УСТРОЙСТВО ГЛАЗА Схематически устройство глаза представлено на рис. 1.1. Пе редняя часть глаза ограничена снаружи прозрачной твердой обо лочкой, известной под названием роговицы. За роговицей распола гается передняя глазная камера, ограниченная сзади хрусталиком, непосредственно перед которым расположена непрозрачная обо лочка – радужная оболочка с отверстием, диаметр которого может изменяться в зависимости от количества световой энергии, посту пающей в глаз.

Передняя глазная камера заполнена водянистой жидкостью с показателем преломления, близким к показателю преломления во ды. Хрусталик, состоящий из прозрачного слоистого хрящевидно го вещества, может под воздействием окружающей его мышцы сжиматься, изменяя свою оптическую силу. Показатель преломле ния хрусталика несколько больше, чем показатель преломления водянистой жидкости и стекловидного тела, расположенного по зади хрусталика. Камера глаза, заполненная стекловидным телом, ограничена сзади светочувствительной оболочкой, называемой ре тиной, или сетчаткой. Сетчатка выстлана множеством светочувст вительных клеток – палочек и колбочек, – способных реагировать на световое раздражение Число палочек составляет около 13·107;

Конспект лекций число колбочек – около 7·106. Палочки более светочувствительны, но не обладают способностью реагировать на цвета.

Роговица Передняя глазная камера Радужная оболочка Хрусталик Стекловидное тело Сетчатка (ретина) Рис. 1.1. Устройство глаза Большая часть колбочек сосредоточена на участке диаметром около 1 мм;

диаметр самих колбочек около 0,005 мм. Участок, за полненный колбочками, носит название желтого пятна, на котором глаз обладает наибольшей разрешающей способностью – возмож ностью цветового восприятия. В зоне выхода глазного нерва из глазного яблока располагается слепое пятно, неспособное к вос приятию изображения.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для ненапряженного глаза, называют дальней точкой;

равным образом такое же положение предмета при наибольшем возможном напряжении глаза называют ближней точкой глаза. Раз ность обратных величин этих расстояний называют диапазоном ак комодации глаза.

Если передняя или дальняя точка глаза бесконечно удалена, то такой глаз называют нормальным или эмметропическим глазом;

несовпадение дальней точки с бесконечно удаленной называют аметропией глаза. Если дальняя точка располагается перед глазом, то такой глаз называют миопическим, или близоруким;

если же дальняя точка будет расположена позади глаза, то глаз называют гиперметропическим, или дальнозорким.

14 Оптическая микроскопия Используя статистический материал, А. Гульстранд приводит данные для усредненного эмметропического глаза. Положение дальней точки и диапазон аккомодации меняются с возрастом чело века. Эти изменения приведены в табл. 1.1. Состояние глаза после 50–60 лет называют старческой дальнозоркостью, или пресбиопией.

Таблица 1. Изм е не н и е ди а пазо н а а к ко м о д а ц и и Положение Положение Воз- Акко- Воз точки точки Аккомода раст, мода- раст, ближ- даль- ближ- даль ция годы ция годы ней ней ней ней Дптр Дптр 10 –14 0 14 50 –2,5 0 2, 15 –12 0 12 55 –1,5 0,25 1, 20 –10 0 10 60 –0,5 0,50 1, 25 –8,5 0 8,5 65 –0,25 0,75 0, 30 –7,0 0 7,0 70 –1,00 1,25 0, 35 –5,5 0 5,5 75 –1,75 1,75 40 –4,5 0 4,5 80 +2,50 2,50 45 –3,5 0 3, 1.2.2. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ГЛАЗА Значение светового раздражения, при котором зрительное вос приятие становится возможным, называют абсолютным порогом зрительного ощущения. Величина, обратная абсолютному порогу, определяет абсолютную световую чувствительность глаза.

1.2.3. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ГЛАЗА Разрешающая способность глаза характеризуется углом, при котором глаз еще раздельно наблюдает две светящиеся точки.

Угол определяется отношением диаметра светочувствительного элемента – колбочки – к переднему фокусному расстоянию глаза и составляет около 1', что близко к дифракционной разрешающей способности для зрачка диаметром около 2 мм.

В некоторых, особо благоприятных условиях разрешающая способность глаза заметно повышается;

так, глаз способен обна ружить смещение двух участков линии, наблюдаемых под углом около 10''. Этот угол называют нониальной остротой зрения;

явле Конспект лекций ние нониальной остроты зрения объясняется тем, что смещение изображений двух участков линии попадает на различно располо женные клетки сетчатки, как это показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Расположение клеток сетчатки Микроскоп (рис. 1.3) имеет оптическую схему с двумя ступе нями увеличения: первая осуществляется объективом, а вторая – окуляром. Фокусное расстояние микроскопа f f f об ок, (1.1) где f об – фокусное расстояние объектива;

f ок – фокусное расстояние окуляра;

– расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, которое называется оптической длиной тубуса. Видимое увеличение микроскопа D Г (1.2) ;

f f где D – механическая длина тубуса микроскопа;

f – фокусное расстояние микроскопа.

H H H 2 H H1 1 АД H Fок y F F y Fоб Fоб Fок f об f f ок f ок f d Рис. 1.3. Оптическая схема микроскопа 16 Оптическая микроскопия Примечание. На рис. 1.3 H, H1, H1, H 2, H – гиперфокаль ные расстояния.

Величина для каждого объектива в зависимости от его фо кусного расстояния различна и лежит в пределах 150–200 мм. Что бы выдержать эту величину, положение объективов при их уста новке на приборе фиксируется нижним срезом тубуса микроскопа.

Оправа окуляра опирается на верхний срез тубуса. Расстояние от нижнего до верхнего среза тубуса называется механической дли ной тубуса, как показано на рис. 1.4.

Верхний срез тубуса Fок Полевая диафрагма окуляров Нижний срез тубуса Плоскость предмета Рис. 1.4. Срез тубуса упрощенного микроскопа В тех случаях, когда у окуляров используется сетка, для четкого ее рассмотрения необходимо некоторое перемещение окуляра в зависи мости от зрения наблюдателя. Перемещение окуляра на 1 диоптрию:

f ок x (1.3).

Под увеличением микроскопа принято понимать отношение размера изображения предмета на сетчатке глаза при наблюдении через микроскоп к размеру изображения того же предмета, полу ченного невооруженным глазом.

Конспект лекций Входной зрачок в микроскопах обычно удален бесконечно. Вы ходной зрачок объектива находится в задней фокальной плоско сти. Роль апертурной диафрагмы выполняет одна из оправ объек тива. Величина A n sin д называется числовой апертурой.

Диаметр выходного зрачка микроскопа 500 A D (1.4), Г где А – передняя апертура микроскопа.

Глубина изображения в микроскопе без перефокусировки:

Dп d (1.5), об где Dп – диаметр полевой диафрагмы;

об – линейное увеличение объектива.

Линейное поле микроскопа окуляра:

n T Tв Tа (1.6), 2 A2 Г где Tв – волновая глубина резкости;

Tа – объем аккомодации для нормального глаза;

n – показатель преломления среды;

– длина волны;

А – числовая апертура;

Г – видимое увеличение.

В случае проецирования изображения на экран или матовое стекло Ta 0.

Предел разрешения:

Ф пр (1.7), Aоб Aк 2 Aоб где Aоб, Aк – соответственно числовые апертуры объективов и конденсора.

Полезное увеличение микроскопа находится из условия полно го использования разрешающей способности объектива.

Применение увеличения меньшего, чем нижний предел, не дает возможности различать все детали, которые разрешает объектив.

Увеличение больше полезного не только не дает никакой дополни тельной информации об объекте, а, наоборот, является вредным.

Кроме того, выходной зрачок становится меньше 0,5 мм, что при водит к заметной дифракционности картины. Иногда увеличение больше полезного используется в измерительных микроскопах.

18 Оптическая микроскопия 1.2.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТИВОВ МИКРОСКОПА Принципиальная оптическая схема микроскопа состоит из трех основных оптических узлов: осветительной системы, объектива и окулярной части (монокулярной, бинокулярной или тринокуляр ной). Объектив является наиболее ответственным узлом микроско па, так как от его числовой апертуры и коррекции аберраций зави сят разрешающая способность и качество изображения в целом.

Объективы микроскопа классифицируются по спектральной области, для которой они рассчитаны и применяются;

способу освещения наблюдаемого объекта;

длине тубуса, на которую они рассчитаны;

наличию покровного стекла и иммерсионной жидко сти;

конструктивным особенностям (линзовые, зеркально линзовые и зеркальные).

Большое распространение получили линзовые объективы. Это вызвано прежде всего большими технологическими возможностями их изготовления по сравнению с зеркально-линзовыми. Для линзо вых объективов допуски задаются значительно шире, чем для зер кально-линзовых. Кроме того, у линзовых объективов отсутствует центральное экранирование, снижающее контраст в изображении.

По степени коррекции различают следующие типы объективов:

монохроматы, ахроматы, апохроматы, суперапохроматы, планобъ ективы. Монохроматы – это объективы, у которых аберрации ис правлены для узкой спектральной области. Объективы, у которых ахроматизация выполнена для двух длин волн, называются ахро матами. У апохроматов спектральная область расширена и ахро матизация выполняется для трех длин волн. У суперапохроматов ахроматизация выполнена для видимой и ультрафиолетовой об ластей спектра. У объективов с плоской поверхностью изображе ния существенно увеличено поле.

У монохроматов в первую очередь исправляются сферическая аберрация, кома и астигматизм. У ахроматов исправлению подле жат: сферическая аберрация, кома и астигматизм, хроматизм по ложения и отчасти сферохроматическая аберрация. У апохроматов и суперапохроматов кроме аберраций, исправляемых у ахроматов, значительно лучше корректируются вторичный спектр и сферо хроматическая аберрация.

Планобъективы по степени коррекции делятся на планмоно хроматы, планахроматы и планапохроматы. Требования к коррек Конспект лекций ции аберраций для точки на оси планобъективов такие же, как и для соответствующих монохроматов, ахроматов и апохроматов.

Но в отличие от последних у планобъективов существенно лучше исправлены кривизна поверхности и астигматизм. На рис. 1.5 при ведены оптические схемы некоторых объективов.

Оценка качества изображения объективов микроскопа произ водится в волновой мере. Для основной длины волны для точки на оси у всех объективов выполняется критерий Рэлея, т. е. вол новая аберрация менее 0, 25. У ахроматов для всей спектраль ной области, на которую они рассчитаны, аберрации не более 0,5. Для линии G волновая аберрация порядка 1 2. У пла нобъективов волновые аберрации для внеосевых точек предмета в пределах всего поля не превышают 0,5. Остаточный хрома тизм увеличения у сильных объективов достигает 1,5–2,0% и ком пенсируется применением специально рассчитанных компенса ционных окуляров.

а в АД б г Рис. 1.5. Принципиальные оптические схемы линзовых объективов различных типов:

а – ахромат (ОХ-22);

б – планахромат (ОПХ-25);

в – планахромат (ОПА-60);

г – суперахромат Приведенная классификация и количественные критерии оценки коррекции аберраций являются до некоторой степени условными и приближенными. Нельзя провести резкой границы, например, меж ду ахроматом и апохроматом, ахроматом и планахроматом и т. п.

К основным оптическим и механическим характеристикам объ ективов относятся следующие: увеличение или фокусное расстоя ние, числовая апертура, длина тубуса (механическая), высота объ ектива, рабочее расстояние, линейное поле (обычно в пространст ве изображения), наличие покровного стекла и иммерсии.

20 Оптическая микроскопия 1.2.5. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОБЪЕКТИВОВ МИКРОСКОПА Широкое распространение при расчете объективов микроскопа получил метод проб, сущность которого заключается в том, что вначале выбирается аналог с возможно близкими оптическими ха рактеристиками к рассчитываемому объективу. Далее изучается влияние изменения конструктивных элементов на аберрации и оп тические характеристики. Затем путем интерполяции или экстрапо ляции находят новые значения конструктивных элементов и произ водят контрольные расчеты хода лучей, в результате которого вы ясняется действительное состояние коррекции. И так повторяется несколько раз – до получения удовлетворительного решения. Этот метод достаточно эффективен, когда исходная оптическая система близка к рассчитываемой, при пересчете на планки и радиусы проб ных стекол, замене марок стекол отдельных линз и в некоторых других случаях.

При расчете объективов небольшой числовой апертуры и увели чения часто используется алгебраический метод. Оптическая схема этих объективов обычно состоит из двух компонентов. Для расчета таких объективов весьма эффективна методика, основанная на при менении теории аберрации третьего порядка для систем, состоящих из тонких компонентов, предложенная проф. Г. Г. Слюсаревым.

Следующий метод расчета – комбинированный – является ра циональным сочетанием алгебраического метода и метода проб.

Вначале используется алгебраический метод, и когда наступает состояние коррекции, при котором аберрации третьего порядка исправлены удовлетворительно, но в системе присутствуют оста точные аберрации высшего порядка, применяют метод проб.

В последнюю четверть века при расчете объективов микроско па широко применяются ЭВМ. Разработан целый комплекс про грамм, начиная от программ для расчета хода лучей и кончая про граммами для автоматизированной коррекции аберраций и оценки качества изображения. Общим для всех программ, предназначен ных для автоматизированной коррекции аберраций, является ис пользование классического метода проб с применением различных математических приемов дли оптимизации оптических систем.

Наиболее ответственным моментом во всех перечисленных спо собах расчета является правильный выбор исходной системы, от ко торого в большой степени зависят и результат и время расчета.

Конспект лекций Сущность метода расчета по частям. Методика расчета объек тивов микроскопа по частям была разработана в СССР в начале 60-х годов. Суть метода заключается в следующем: объектив микроскопа условно разделяется на две части, рассчитываемые в начальной ста дии самостоятельно, но так, чтобы, во-первых, при соединении обе их частей у объектива были получены заданные оптические харак теристики (увеличение, фокусное расстояние, числовая апертура, поле, длина тубуса, рабочее расстояние) и, во-вторых, обеспечена необходимая для данного типа коррекция аберраций. Первая часть – фронтальная, вторая – последующая. Оптические схемы обеих час тей в зависимости от оптических характеристик и типов объективов разнообразны. Различны и способы их расчета.

При расчете фронтальной части, через которую проходят пучки лучей со значительной числовой апертурой, используются свойст ва апланатических точек поверхностей. Благодаря этому апертур ный угол для последующей части существенно снижается, при этом фронтальная часть не вносит значительных аберраций.

Последующая часть, так как числовая апертура у нее сравни тельно невелика, в первом приближении может быть рассчитана алгебраическим методом с применением теории аберрации третье го порядка, которая позволяет определить необходимое число компонентов в оптической схеме и выбрать их тип.

Окончательная коррекция аберраций производится на ЭВМ по программам для автоматизированной коррекции аберраций. При ведем некоторые соотношения, которые должны выполняться при габаритном и аберрационном расчетах по этой методике.

Фронтальная часть в виде «толстого» мениска часто использу ется при расчете объективов с плоским полем. Конструктивные элементы могут быть вычислены следующим образом:

s1 n 1 s r2 n 1 n ;

d r1 ;

r2 (1.8), 1 n n n nsIV r где r1 и r2 – соответственно радиусы преломления поверхностей мениска;

d – толщина мениска;

n – показатель преломления;

s1 – рабочее расстояние;

sIV – сумма Петцваля;

– линейное увеличение.

Коррекционной особенностью такого мениска является то, что изображение предмета, даваемое первой поверхностью, совпадает с апланатической точкой второй поверхности.

22 Оптическая микроскопия Линейное увеличение и задний отрезок s определяются по формулам:

n ;

s2 r2 1 n.

(1.9) n 1 k s Здесь k.

r При расчете высокоапертурных объективов надо всегда иметь в виду, что за толстым мениском располагается дополнительно один или несколько апланатических менисков. Особенностью склеенного фронтального мениска для иммерсионных объективов является то, что показатели преломления иммерсии, покровного стекла и первой линзы одинаковы. Осевая точка предмета находит ся в центре кривизны второй поверхности, а ее изображение совпа дает с апланатической точкой третьего типа третьей поверхности;

конструктивные элементы могут быть вычислены по формулам:

r2 d r1 ;

r2 s1 d1;

r3 ;

n n d2 (1.10) ;

n2 n sIV r n1n2 ;

s3 r3 1 n2, где d1 и d 2 – толщины линз;

n1 и n2 – показатели преломления оптических сред линз;

r3 – радиус преломления поверхности мениска;

s – задний отрезок. Последующая часть в виде двух компонентов, разделенная конечным воздушным промежутком, удовлетворяет всем требованиям габаритного и аберрационного расчетов.

При условии нормирования h1 f 1;

1 0;

3 1 (длина тубуса – «бесконечность») имеем Ф1 Ф 2 dФ1Ф 2 1;

1 dФ1 s.

п Здесь Ф1,Ф 2 – оптические силы компонентов;

d – расстояние Конспект лекций между компонентами;

s – задний отрезок последующей части;

п h1 – расстояние от оптической оси до точки преломления мери дионального луча.

Практически удобно выразить оптические силы компонентов Ф1 и Ф 2 через 2. Тогда имеем одно уравнение: 1 d 2 s.

п Для его решения одной из величин следует придавать некото рые численные значения.

Реальные фокусные расстояния компонентов находятся из формул:

f 1 d f f1 п ;

f 2 п (1.11) ;

2 1 f п f 0ф ;

sп sф, (1.12) где f 0 – фокусное расстояние объектива;

sф – задний отрезок фронтальной части;

– расстояние между последней поверхнос тью фронтальной части и вторым компонентом последующей части;

f п – фокусное расстояние последующей части;

f1, f 2 – фокусные расстояния первой и второй частей;

2 – угол параксиального луча с осью в пространстве предметов. В случае, когда предмет расположен на конечном расстоянии:

1 п ;

3 1;

f s s11;

sп s1п d 2.

(1.13) Увеличение последующей части п находится из условия ком поновки фронтальной и последующей частей:

ф п (1.14), о где о, ф – соответственно увеличение всего объектива и фрон тальной части. Фокусные расстояния для этого случая опреде ляются из выражений:

s1 п ;

f 2 s1 d 2 1 2.

f1 (1.15) 2 п Коэффициент Петцваля sIV п Ф Ф1 Ф2. (1.16) 24 Оптическая микроскопия Относительные диаметры компонентов:

D1 2 A0 2 1 D s1 d 2 1 2, (1.17) ;

f1 f ф где A0 – числовая апертура объектива;

1 и 2 – параксиальные углы;

D2 – расстояние между компонентами.

Предварительный аберрационный расчет последующей части.

Аберрации последующей части рассчитываются так, чтобы они в первом приближении были равны по абсолютному значению со ответствующим аберрациям фронтальной части, но противопо ложны по знаку (для продольных аберраций). Условиями исправ ления аберрации объектива являются:

sп sф ;

п ф ;

zs zm п zs zm ф ;

(1.18) sIV п s IV ф ;

sf.c п sf.c ф ;

sf.d п sf.d ф ;

(1.19) у f.c п у f.c ф, где s – продольная сферическая аберрация;

– величина, характеризующая отступление от условия изопланатизма и определяющая кому;

zs zm – астигматическая разность;

sf.c и sf.d – хроматическая разность положения;

у f.c – хроматичес кая разность увеличения.

Дисторсия в объективах микроскопа (за исключением объекти вов специального назначения), как правило, не подлежит исправ лению вследствие сравнительно малого поля.

1.3. ОТСЧЕТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 1.3.1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАРКИ Задачей отсчетных оптических устройств является сопоставле ние измеряемого объекта с эталоном, определение различия между Конспект лекций этим объектом и эталоном. Во всех отсчетных устройствах проис ходит совмещение изображения с измерительной маркой или со вмещение двух изображений друг с другом.

Простейшей измерительной маркой является одиночный штрих, расположенный в плоскости изображения измеряемого объекта;

бо лее совершенной измерительной маркой является перекрестие двух штрихов или два параллельных штриха с небольшим расстоянием между ними – биссектор. В тех случаях, когда наблюдаемым объ ектом является изображение штрихов какой-либо шкалы, целесо образно использовать биссектор.

Картины поля зрения с различными видами измерительных ма рок представлены на рис. 1.6, а, б, в. Ошибка совмещения одиноч ного штриха ограничивается разрешающей способностью глаза и составляет около 1';

ошибка совмещения при использовании биссектора существенно меньше – порядка 10n и определяется но ниальной остротой зрения.

При стереоскопическом наблюдении в качестве измерительной марки используют баллончик, острие которого подводят к изме ряемой точке изображения (рис. 1.6, г).

Определение расхождения между размерами измеряемого объек та и эталона осуществляется путем перемещения измерительной марки относительно изображения измеряемого объекта или, наобо рот, путем перемещения изображения объекта относительно марки.

а б в г Рис. 1.6. Картины поля зрения оптических отсчетных устройств 1.3.2. ШКАЛОВЫЕ ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА Нониус и верньер. Эти устройства предназначены для отсче тов по линейным или круговым шкалам. Эталонные шкалы, ли нейные и угловые (круговые), имеют значительное расстояние 26 Оптическая микроскопия между штрихами. Цена деления нониусной шкалы, стыкующейся с эталонной, меньше цены деления основной шкалы и выбирается таким образом, чтобы N делений нониуса соответствовали бы N 1 делениям эталонной i -шкалы. Тогда, если начальный и ко нечный штрихи не будут совмещены со штрихами основной шка лы, то совмещение k-го штриха нониуса с соответствующим штрихом основной шкалы определит расстояние до начального штриха нониусной шкалы от ближайшего штриха эталонной шка лы, равное:

k x (1.20) a, N где а – цена деления эталонной шкалы.

Таким образом, нониальное отсчетное устройство позволяет осуществлять разделение интервала эталонной шкалы соответст венно числу делений нониуса. Модификацией нониального уст ройства (верньер) является отсчетное устройство с несколькими параллельными отсчетными шкалами, сдвинутыми относительно друг друга на доли деления основной шкалы, с ценой деления, равной цене деления основной шкалы.

Трансверсальный масштаб. Вместо сдвига параллельных от счетных шкал иногда используют широкую наклонную шкалу, угол наклона штрихов которой определяется отношением расстоя ния между делениями основной шкалы к расстоянию между деле ниями отсчетной шкалы. Такое устройство носит название транс версального масштаба.

Муар-микрометр. Он состоит из двух перекрывающих друг друга шкал с одинаковыми по ширине прозрачными и непрозрач ными полосами, но с различным шагом, как это показано на рис. 1.7.

Если N 1 делениям основной шкалы соответствует N деле ний нониальной шкалы, то в зоне перекрытия этик шкал про изойдет некоторое изменение ширины светлого промежутка, на чиная от наибольшей возможной ширины до полного перекрытия светлых промежутков шкал темными. Смещение одной из этих шкал относительно другой на 1/ N интервала будет вызывать смещение самой широкой (или самой темной) полосы на целый интервал.

Делая у таких шкал темные полосы более широкими, чем свет лые, можно уменьшать число наблюдаемых светлых полос.

Конспект лекций Рис. 1.7. Шкалы муар-микрометра 1.4. ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 1.4.1. ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ МИКРОСКОПОВ Исследуемый под микроскопом объект должен быть освещен достаточно интенсивно и равномерно по полю. Из всех известных методов освещения наиболее рациональным является метод Кёл лера, который находит широкое применение и в других оптиче ских приборах. Принципиальная оптическая схема освещения по Кёллеру представлена на рис. 1.8. Осветитель состоит из коллек тора ( H1H ) и конденсора ( H 2 H ). Вблизи коллектора располага 1 ется ирисовая полевая диафрагма ПД, которая конденсором проек тируется в плоскость объекта. Источник излучения проектируется коллектором в плоскость апертурной диафрагмы АД, расположен ной в передней фокальной плоскости конденсора. Конденсором источник света проецируется на бесконечность. Достоинствами осветительной системы по Кёллеру являются равномерное осве щение объекта, возможность регулировки освещенности (число вой апертуры конденсора) и освещаемого поля объекта, обеспече ние телецентрического хода лучей. В качестве коллекторов в зависимости от оптических характеристик используются одно-, двух- или трехлинзовые системы. Иногда для упрощения конст рукций применяют асферические поверхности, обычно парабо 28 Оптическая микроскопия лоидальные. В качестве конденсоров используются системы такие же, как и в других осветительных системах.

При аберрационном расчете коллекторов и конденсоров основ ное внимание уделяется исправлению сферической аберрации и в ряде случаев хроматизма положения и комы.

Однолинзовые конденсоры со сферическими поверхностями при меняют с объективами макроскопов с числовой апертурой до 0,3.

Для освещения объектов, исследуемых под большим увеличени ем, используют высокоапертурные иммерсионные конденсоры, на пример двухлинзовый конденсор с А 1, 2. Однако принцип Кёл лера здесь осуществляется приближенно из-за большой сфериче ской аберрации. Трехлинзовый иммерсионный конденсор с А 1, отличается от двухлинзового наличием апланатического мениска.

Двухлинзовые безыммерсионные конденсоры, неахроматизован ные, с одной параболоидальной поверхностью часто применяются в поляризационных микроскопах.

H H2 H H1 АД 1 ПД Dпр А к В F F Рис. 1.8. Принципиальная схема осветительной системы по Кёллеру Ахроматические апланатические иммерсионные конденсоры по коррекции и оптической схеме приближаются к ахроматическим объективам. Для столика Федорова применяют конденсоры с боль шим рабочим расстоянием. Панкратический конденсор позволяет плавно изменять и устанавливать апертуру конденсора в точном соответствии с апертурой объектива. Для темного поля использу ются кардиоид-конденсоры. Иногда с целью упрощения кардио идную поверхность заменяют сферической. Метод темного поля в отраженном свете осуществляется путем освещения объектива Конспект лекций сверху с помощью кольцевого зеркала, расположенного над объ ективом, и эпиконденсора с параболоидальной отражающей по верхностью.

1.4.2. ПРОЖЕКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ Прожекторы являются самостоятельными осветительными сис темами, предназначенными для освещения удаленных поверхно стей и для оптической сигнализации. Прожектор состоит из источ ника света, лучи от которого с помощью оптической системы со бираются и направляются в пределах сравнительно небольшого телесного угла.

Основными оптическими характеристиками прожекторов яв ляются сила света, коэффициент усиления, угол рассеяния, дис танция оформления пучка и угол охвата.

Принципиальная оптическая схема прожектора представлена на рис. 1.9. Источник света располагается в фокальной плоскости.

а Н Н М F М b f f p p Рис. 1.9. Принципиальная оптическая схема прожектора Угол расходимости определяется из выражения:

Dи 2 (1.21), f где Dи – диаметр источника света;

f – фокусное расстояние.

Угол рассеяния для точечного источника:

30 Оптическая микроскопия (1.22), D где – длина волны;

D – размер светового тела источника света.

Если прожектор освещает предметы на расстоянии p p0, где p0 – среднее расстояние освещенности, то освещенность этих предметов определяется по формуле D D f.

p0 (1.23) 2 tan Dи Дистанция оформления пучка:

Lsпр E L sin 2 (1.24), p где sпр – площадь отверстия прожектора;

L – осевая сила света прожектора;

– коэффициент пропускания оптической системы;

– аппертурный угол прожектора.

Под коэффициентом усиления понимают отношение освещен ности, получаемой с помощью прожектора, к освещенности, непо средственно получаемой от одного источника света:

Eпр I пр sпр kпр (1.25), Eи Iи sи где I пр – сила света прожектора;

I и – сила света источника;

Eпр и Eи – дистанции оформления пучка прожектора и источника света соответственно.

1.4.3. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЛОКАЦИИ С ЛАЗЕРОМ Лазер с афокальной насадкой применяют для освещения уда ленных объектов в дальномерах: локаторах и т. д. Оптическая сис тема локатора (рис. 1.10) содержит передающую часть, состоящую из лазера 1 и афокальной насадки 2, и принимающую часть, со держащую объектив 3 и фото-приемник 4.

Диаметр освещаемого пятна d п на объекте равен:

d п 2p, (1.26) где 2 – угол расходимости лазера;

p – расстояние до объекта.

Конспект лекций 1 Qоб D P p 4 Рис. 1.10. Принципиальная оптическая схема лазерного локатора:

1 – лазер;

2 – афокальная насадка;

3 – принимающая часть, содержащая объектив;

4 – фото-приемник Энергетическая освещенность объекта вычисляется по формуле a I в Eв cos, (1.27) p где a – коэффициент пропускания атмосферы;

p – расстояние до объекта;

I в – сила света объекта. Энергетическая яркость и сила света объекта определяются из выражений:

Eв Lв ;

I в LвQоб cos, (1.28) где Qоб – энергия излучения объекта:

d п Qоб ;

где d п – площадь поверхности.

Поток излучения, попадающего в зрачок объектива, определя ется как:

Ф EвQ, (1.29) в где E – дистанция оформления светового пучка.

в 32 Оптическая микроскопия Из условия получения эквивалентного увеличения Г 1 опре делим n2 :

nW n Г ГW ГT 1 ;

n2 n4 nW, (1.30) n где ГW и ГT – эквивалентное увеличение для углового увеличения и видимое увеличение телескопической системы;

nW и n4 – коэф фициент преломления для углового увеличения и коэффициент преломления оптического компонента.

В случае сдвоенных телескопических систем находим:

n Г 1 4 nW ;

n2 n4 nW. (1.31) ГW ГT n При выполнении условий (1.30) и (1.31) происходит полная взаимная компенсация дисторсии телеконцентрической системы и дисторсии плоскости раздела водной и воздушной сред. Резуль татом является исправление дисторсии по всему полю зрения.

1.5. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА 1.5.1. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА Инфракрасное (ИК) излучение занимает весьма протяженную область спектра, примыкающую, с одной стороны к видимому (красному) излучению, а с другой – к электромагнитным колеба ниям радиодиапазона. Нижняя граница ИК-излучения совпадает с верхней границей видимого диапазона и имеет длину волны 0,76 мкм. Верхняя граница четко не определена и у различных авторов составляет 0,75–1 мм.

ИК-область спектра принято делить на три-четыре поддиапазо на. Ниже приведено наиболее употребительное деление на под диапазоны (мкм):

ближний поддиапазон – 0,76–3;

средний – 3–6;

дальний – 6–15;

сверхдальний поддиапазон – 15–1000.

Конспект лекций Такое деление связано с наличием так называемых «атмосфер ных окон», -участков ИК-спектра, для которых поглощение энер гии в слое атмосферы минимально.

При разработке оптических систем для какого-либо ИК-поддиа пазона в первую очередь необходимо учитывать возможности ис пользования оптических материалов, обладающих достаточной про зрачностью в заданной области спектра. Для ближней ИК-области с верхней границей порядка 2,5 мкм и небольшой длиной хода в стекле (например, в микрообъективах) могут использоваться обычные бес цветные оптические стекла по ГОСТ 3514-76. Для ближней и средней областей спектра применяется флюорит (СаF2). Кварцевое стекло марки КИ по ГОСТ 15130-79 не имеет полосы поглощения в интер вале длин волн 2600–2800 нм и может использоваться при 3 мкм.

Показатели преломления ( n ср, n 2 и n1 ) и коэффициенты дисперсии ( ) n 2 n n ср наиболее распространенных материалов приведены в табл. 1.2.

Таблица 1. По к аза те л и пр е ло м ле н и я и ко э ф ф и ц и е нт ы д ис пер с ии не ко то р ы х м а тер и а ло в Рабочий диа- Показатель преломления Коэффициенты Матери- пазон длин дисперсии Область спектра, мкм ал волн, мкм 0,75 2 0,75 1 2 3 4 Ge 2–23 — — 4,116 4,045 4,025 4,016 — 104, Si 1,5–15 — — 3,458 3,432 3,425 3,422 — 250, LiF 0,2–8 1,389 1,387 1,378 1,366 1,349 1,326 35,8 8, ВаF2 0,4–13 1,471 1,468 1,464 1,461 1,456 1,450 73,2 45, СаF2 0,4–11,5 1,431 1,428 1,423 1,417 1,409 1,399 59,2 21, KRS-5 0,5–40 2,512 2,446 2,395 2,385 2,382 2,379 12,3 232, KRS-6 0,5–24 2,277 2,240 2,205 2,199 2,195 2,192 17,3 192, Al2O3 0,3–6 1,761 1,755 1,737 1,711 1,674 1,617 31,4 7, KО-2 0,4–14,5 2,304 2,290 2,263 2,255 2,250 2,244 31,6 112, KO-4 0,5–22 — 2,485 2,447 2,440 2,435 2,432 — 179, Al2S3 0,5–11 2,542 2,478 2,426 2,416 2,411 2,407 12,7 155, ИКС-25 1–17 — 2,919 2,805 2,765 2,779 2,775 — 177, (Ge – германий;

Si – кремний;


LiF – фтористый литий;

BaF2 – фтористый барий;

CaF2 – флюорит;

KRS-5 и KRS-6 сплавы, состоящие из Тl Вr и Tl J;

А1203 – сапфир;

КО-2 и КO-4 – оптическая керамика;

As2S3 – трехсернистый мышьяк;

ИКС-25 – бескислородное стекло).

34 Оптическая микроскопия С точки зрения разработчика оптических систем, наибольший интерес представляют материалы, обладающие существенно отли чающимися от обычных стекол в видимой области спектра показа телями преломления и дисперсиями. К таким материалам относят ся германий и кремний, обладающие в области спектра от 8 до 14 мкм показателями преломления, соответственно равными при мерно 4 и 3,4 и коэффициентами дисперсий – 860 и 1860. При столь необычных значениях оптических констант становятся воз можными оптические системы, состоящие из одной-двух линз и обладающие довольно высокими оптическими характеристиками.

Необходимо иметь в виду, что высокая стоимость этих материалов не позволяет осуществлять в настоящее время многолинзовые сис темы. Поэтому рассмотрим возможности одно- и двухлинзовых систем, выполненных из германия, как материала, обладающего экстремальными оптическими характеристиками. Для упрощения вычислений будем полагать показатель преломления для основной длины волны равным n 4, а коэффициент дисперсии 1000.

1.5.2. КОРРЕКЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОДНОЛИНЗОВОЙ СИСТЕМЫ Толщину линзы будем полагать малой, что обеспечивает мини мальный расход дорогостоящего материала и позволяет использо вать теорию аберраций третьего порядка для бесконечно тонких компонентов. Входной зрачок совместим с оправой первой поверх ности, что позволит получить минимальный световой диаметр.

Находим, что при n 4 между основными параметрами оди ночной линзы существует следующая зависимость:

P 0,28 0,96 W 0,08, где P – осевая точка входного зрачка;

W – угловое увеличение.

Для исправления комы примем W 0, тогда значение P прак тически не отличается от значения P0, P 0,29. Значение угла внутри линзы составляет 2 0,8. Поперечная сферическая абер рация в плоскости наилучшей установки для предмета, располо женного на бесконечности, составляет примерно (с округлением в большую сторону) g 0,005 l / k f, где k – диафрагментное число.

Конспект лекций Как известно из теории аберраций третьего порядка бесконечно тонких компонентов, астигматические составляющие в рассматри ваемой системе не зависят от конструктивных параметров линзы и равны: Z m 0,5 3 y 2 f и Z s 0,5 1 y 2 f. Прини мая во внимание, что 1/ n 0,25, а y f tan, где – угол поля;

y – меридиональная аберрация, получаем Z m 1,62 f 2 tg и Z s 0,62 f tg 2. Максимальное значение поперечной аберра ции на краю поля составит:

f g 0,81tan 2 0,005 f. (1.32) k k Целесообразно оценить аберрации объектива, работающего при бесконечно удаленной предметной плоскости в угловой мере в пространстве предметов (угловая величина пятна рассеяния). Эта величина примерно равна разрешающей способности объектива при условии, что волновые аберрации существенно превосходят по величине критерий Рэлея – 0,25. Из формулы (1.32) получим:

2 1,62 tan 2 0,01. (1.33) k k В центре поля зрения соответствующая величина равна:

2 0,01. (1.34) k Дисторсия тонкой линзы с расположенным на ней зрачком практически отсутствует.

Принимая во внимание, что хроматизм положения составляет s 2 s1 f /, можно получить угловые размеры фигуры рас сеяния с учетом хроматической аберрации:

для центральной точки поля зрения:

1 0, 2 0,01 (1.35) ;

k k для края поля зрения:

0,01 0, 2 1,62 tan 2 3 (1.36).

k k k 36 Оптическая микроскопия Асферизация одной (или даже обеих) поверхностей одиночной линзы позволяет лишь устранить сферическую аберрацию, т. е.

довести угловой размер фигуры рассеяния в центре поля до вели чины, определяемой хроматической аберрацией положения:

0, 2 (1.37), k где k – поле зрения линзы.

Получим, что при асферизации первой поверхности управление сферической аберрации третьего порядка достигается при эксцен триcитете e 0,3. Эта асферизация не влияет на параметр W, сле довательно, исправление сферической аберрации не приводит к изменению других монохроматических аберраций линзы. Таким образом, одиночная линза даже при наличии асферической по верхности может обеспечить хорошее качество изображения толь ко при малых полях зрения. Например, при k 1,5 (относительное отверстие 1:1,5) в центре поля зрения угловое разрешение составит примерно 1'. Если допустить на краю поля зрения снижение раз решающей способности в два раза, то 2 2.

1.5.3. АНАСТИГМАТ ИЗ ДВУХ ЛИНЗ Исправление астигматизма одиночной линзы может быть дос тигнуто за счет усложнения конструкции путем добавления линзы, образованной апланaтической поверхностью, концентричной осе вой точке предмета, и изопланатической поверхностыо, концен тричной центру выходного зрачка.

Рассмотрим аберрации третьего порядка такой системы. Обо значим через f I фокусное расстояние первой линзы объектива.

Астигматическая разность Z m Z s, вносимая этой линзой, равна Z m Z s y 2 f I. Для устранения астигматизма в объективе не обходимо, чтобы радиус апланатической поверхности второй лин зы составлял r3 n 1 f I / n. При n 4 rs 0,75/ f I. Расположим входной зрачок на первой линзе. Тогда центр зрачка окажется рас положенным в переднем фокусе апланатической поверхности и вторая изопланатическая поверхность второй линзы будет пло ской. Линейное увеличение второй линзы будет равно V2 n 4.

Конспект лекций Следовательно, f I 4 f, воздушный промежуток d f. Относи тельные оптические силы линз будут равны I 0,25;

II 1. Ко эффициент Петцваля составит sIV I II n 0,31, а кривизна изображения Z 0,5 0,31 y 2 f 0,16 y 2 f. Поперечная абер p рация, вызванная кривизной изображения, составит:

g 0,16 tan 2 m, (1.38) где m – координата точки пересечения луча с плоскостью входного зрачка по оси Y в меридиональной плоскости.

Первую линзу, как и в рассмотренной выше системе, исправим в отношении комы. Вторая линза кому не вносит. К сферической аберрации первой одиночной линзы добавится сферическая абер рация плоской изопланатической поверхности. Эта аберрация в поперечной мере составит g 0,35m 3 f 2. Учитывая введение плоскости наилучшей установки, находим, что диаметр кружка рассеяния в центре поля за счет сферической аберрации составит в угловой мере:

2 0,022. (1.39) k Нетрудно видеть, что сферической аберрацией первой линзы, равной в угловой мере:

3 1 0,01 2 0,01 (1.40), k1 64 k можно пренебречь.

Оценим хроматические аберрации. Для хроматизма положения имеем:

0,00081 f, f hI2 I hII II s 2 s1 (1.41) где hI и hII – расстояние от оптической оси до точки преломления меридионального луча.

Хроматизм увеличения вносит только второй компонент. В ли нейной мере эта аберрация равна:

y 2 y1 hII yII II tan f 0,00075 tan.

38 Оптическая микроскопия Таким образом, угловые размеры фигуры рассеяния составляют в центре поля:

0,022 0, 2 (1.42) ;

k3 k на краю поля:

0,022 0, 2 0,16 tan 2 0,00075tan 3 (1.43).

k k k Таблица 1. Ко р р е к ц ио н ны е во зм о ж но с т и пр о с те й ш и х с и стем, вы по л не н ны х и з г ер м а н и я Угловая разрешающая способность в центре поля на краю поля Оптические k 1 k 2 k 1 k схемы, рад формула формула 0,05 0,1 0,05 0, 1,62 tan k 0,01 0, Одна линза 36 5 50 92 12 0,01 5 k3 k k k Одна линза 5 0, с асферической 0,9 1,62 tan 2 1,7 16 57 9 первой поверх- k k k ностью Две линзы 0,16 tan с воздушным k промежутком, 0,022 0,0004 0,0008 tan 77 10,4 79 83 11 равным фокус- k 3 k 0, ному расстоя- нию объектива k Две линзы с воздушным 0,16 tan промежутком, k равным фокус- 0,03 0, 0,0008 tan ному расстоя- 11,6 1 13 17 1,8 k нию объектива, k 0,003 0, и с асфериче k k ской второй поверхностью Конспект лекций Из полученных формул следует, что повышению светосилы двухлинзовой системы препятствует неустранимая сферическая аберрация третьего порядка, возникающая на последней плоской поверхности объектива. Устранение этой аберрации и повышение светосилы двухлинзовой системы может быть достигнуто асфери зацией одной из поверхностей первой линзы. Как отмечалось вы ше, асферизация поверхностей компонента, с которым совмещена апертурная диафрагма, приводит только к изменению сферической аберрации. В этом случае при использованы асферики второго по рядка на второй поверхности первой линзы легко устраняется сфе рическая аберрация третьего порядка. Относительное отверстие объектива для точки на оси ограничивается хроматизмом положе ния и сферической аберрацией пятого порядка.

Результаты исследований простейших систем из германия при ведены в табл. 1.3. Кроме полученных выше формул, позволяю щих определить разрешающую способность систем в зависимости от диафрагменного числа и угла поля, в таблице даны числен ные значения разрешающей способности при k 1 и k 2, а так же при углах поля 2 0,1 рад и 2 0,2 рад.

1.6. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 1.6.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МИКРОСКОПА Современные микроскопы выглядят достаточно сложными, ав томатизированными и многофункциональными системами. Одна ко знание основных узлов микроскопа и понимание принципов их действия необходимы для освоения этих сложных приборов. По этому рассмотрим оптическую схему наиболее типичного микро скопа, представленную на рис. 1.11.

Условно микроскоп можно разбить на четыре узла: осветитель ная система – позиции 1–6 рисунка, препарат 7, с плоскостью пре парата сопряжена полевая диафрагма окуляра 10 и полевая освети тельная диафрагма 3, апертурная диафрагма 9, с которой сопряже на ирисовая диафрагма 5, окуляр 12. Рассмотрим ход лучей в микроскопе. Объект 7, обозначенный стрелочкой, расположен на предметном столике 7 перед микрообъективом 8, на расстоянии несколько большем его фокусного расстояния Fоб. Он строит дей ствительное, увеличенное и перевернутое изображение 7' в плоско 40 Оптическая микроскопия сти диафрагмы 10. Данное промежуточное изображение располо жено за передним фокусом окуляра 12. Поэтому окуляр строит мнимое увеличенное изображение 7'' на расстоянии D 250 мм от глаза наблюдателя. Такое расстояние считается наилучшим с точ ки зрения физиологических свойств глаза. Если мы хотим полу чить действительное изображение объекта на телевизионном при емнике или фотопленке, то достаточно окуляр сдвинуть так, чтобы изображение 7' оказалось перед фокусом окуляра. Основные ха рактеристики микроскопа: видимое увеличение – Г, линейное поле зрения – 2 y, числовая апертура – NА.


Числовая апертура микроскопа определяет его основные харак теристики: светосилу и разрешающую способность. Числовой апертурой называют произведение показателя преломления среды, в которой находится объект, на синус апертурного угла.

Основными узлами микроскопа являются осветительная систе ма, микрообъектив, предметный столик и окуляр.

Осветительная система микроскопа состоит из источника опти ческого излучения и оптической системы, обеспечивающей рав номерное освещение объекта. Сложности, возникающие при соз дании осветительных систем, вызваны тем, что в микроскопах, особенно с большим увеличением, необходимо применять яркие источники света. Тело накала таких источников, например нить лампы, имеет неравномерную яркость, поэтому оно проецируется оптической системой, которая называется конденсором, не точно в плоскость предмета, а ближе или дальше. При таком освещении образуется много рассеянного света, который ухудшает условия наблюдения. Другой проблемой является то, что числовая аперту ра конденсора должна быть больше или равна числовой апертуре объектива. В противном случае снижается разрешающая способ ность микроскопа. Решение этих задач привело к созданию раз личных типов осветительных систем микроскопа. Наибольшее распространение получила схема освещения по Кёллеру, которая представлена на рис. 1.11 позициями 1–6. Она применяется во всех отечественных микроскопах. Не вдаваясь в подробности принципа ее работы, можно сказать, что данная схема освещения позволяет получить равномерное освещение поля микроскопа от источника с неравномерной яркостью светящего тела без ухудшения качества изображения. В современных микроскопах, например конфокаль ных, а также при использовании лазерных источников излучения применяются другие схемы освещения.

Конспект лекций 7' Fок Fоб Fоб 7'' 1 Рис. 1.11. Принципиальная оптическая схема микроскопа:

1 – лампа освещения;

2 – коллимирующая линза;

3 – полевая осветительная диафрагма;

4 – зеркало;

5 – ирисовая диафрагма;

6 – микрообъектив;

7 – прозрачный предметный столик;

8 – микрообъектив;

9 – апертурная диафрагма;

10 – диафрагма окуляра;

11 – линза окуляра;

12 – окуляр Микробъектив является важнейшей частью микроскопа, опре деляющей качество изображения и светосилу. Он представляет со 42 Оптическая микроскопия бой многолинзовую систему, в которой исправлены аберрации, искажающие изображение. В зависимости от вида исправленных аберраций объективы делят на следующие основные виды: ахро маты, апохроматы, планахроматы, планапохроматы. Основными характеристиками объектива микроскопа являются увеличение и числовая апертура. Последняя определяет разрешающую спо собность микроскопа – чем больше числовая апертура, тем лучше разрешающая способность. В зависимости от увеличения и число вой апертуры объективы микроскопов можно разбить на три груп пы, представленные в табл. 1.4.

Таблица 1. Гр уп п ы о бъе к т и во в м и кр о с ко по в Группа объективов Увеличение Апертура Г 10 NA 0, Малых увеличений и апертур Г 40 NA 0, Средних увеличений и апертур Г 40 NA 0, Больших увеличений и апертур Числовая апертура объектива зависит от показателя преломле ния среды, в которой находится препарат. Поэтому для увеличения NА используют иммерсию: воду или масло, показатель преломле ния которых больше единицы. Микрообъективы, которые могут работать в таких условиях, называют иммерсионными. Современ ные микрообъективы имеют увеличение до 100 и числовую апертуру до 1,6.

Окуляр представляет собой более простую оптическую систе му, чем объектив. Его роль в формировании изображения микро объекта гораздо менее важная и поэтому требования к нему более низкие. Основной характеристикой окуляра является увеличение, которое изменяется в зависимости от типа от 4 до 15 крат.

Предметный столик и другие юстировочные узлы микроскопа составляют основу его механической части. Предметный столик должен решать две задачи: во-первых, обеспечивать крепление препарата и легкий доступ к нему наблюдателя, во-вторых, точное перемещение препарата по двум координатам. В современных микроскопах требуемая точность перемещения составляет от од ного до нескольких микрон, а величена перемещения 2–3 см. В на стоящее время применяется автоматическое перемещение кареток столика по двум координатам, управляемое от ЭВМ. Другим важ ным механическим узлом микроскопа является устройство, обес Конспект лекций печивающее его фокусировку. Как правило, фокусировка микро скопа производится передвижением тубусодержателя, в котором крепится объектив и окуляр, с помощью грубого и микротрендно го механизмов. При помощи них тубус, как единое целое, прибли жается или удаляется от объекта до тех пор, пока оператор не при нимает решение о наилучшей фокусировке на препарат.

1.6.2. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЙ В МИКРОСКОПИИ Понятие качество изображения применительно к микроскопии определяет способность его оптической системы создавать гео метрически подобные предмету изображения, в которых отдель ные детали и контраст воспроизведены с достаточной точностью.

Качество изображений, формируемых микроскопом, в идеальном случае определяется законами дифракционной оптики, однако в действительности оно зависит от таких особенностей прибора, как остаточные аберрации микрообъектива, освещенность и кон траст предметов, наличие дефектов в оптическом стекле, ошибки изготовления и сборки, а также особенности приемника.

В микроскопии общепринято использовать для оценки качества изображения понятие разрешающей способности. Различают два вида разрешения: латеральное (поперечное) и аксиальное (про дольное) – вдоль оптической оси. Остановимся подробнее на этих понятиях. При формировании изображения любой оптической системой, в том числе и микроскопом, каждая бесконечно малая светящаяся точка в объекте преобразуется в эллипсоид, вытянутый вдоль оптической оси. В сечении, перпендикулярном оптической оси, изображение точки представляет собой яркое пятно, которое получило название диск Эри, с концентрическими темными и светлыми кольцами, постепенно убывающими по яркости в изображении. Процесс формирования данного пятна и колец, его окружающих, хорошо описывается законами дифракционной оптики.

В диске Эри сосредоточено 84% всей энергии и его размер оп ределяется выражением:

d э 1,22 (1.44), NA где NA – числовая апертура микрообъектива;

– длина волны света.

44 Оптическая микроскопия Предел разрешения микроскопа определяется при сближении двух светящихся точек до такого расстояния, когда в пространстве изо бражений падение освещенности между ними становится незамет ным для глаза и визуально две точки сливаются в одну. Для количе ственного определения этого предела используется критерий Рэлея.

Согласно критерию Рэлея изображения двух близких самосветящих ся (некогерентных) точек можно еще считать раздельными, если центр дифракционного пятна, соответствующего одной точке, совпа дает с первым дифракционным минимумом для второй точки.

В этом случае поперечная разрешающая способность объектива равна:

1,22 (1.45) R.

2NA Расчеты показывают, что при таком расстоянии между точками в промежутке между ними освещенность составляет 80% от осве щенности в максимуме. Известно, что человеческий глаз способен различать контраст в освещенности 4%, т. е. разрешающая спо собность глаза лучшая, чем по критерию Рэлея. Из формулы вид но, что определяющую роль в разрешающей способности играет числовая апертура объектива. Для ее повышения в микроскопии используют иммерсионную жидкость с показателем преломления n 1, которой заполняют пространство между микрообъективом и препаратом. Это позволяет довести числовую апертуру до значе ния 1,4, в то время как «сухие» объективы имеют NA 0,95. Не трудно рассчитать, что разрешающая способность в видимой об ласти может достигать 0,2 мкм.

Однако все это справедливо только для абсолютного контраста, когда мы рассматриваем две яркие точки на темном поле. Для по лутонового объекта оценка качества изображения по разрешаю щей способности не отражает всей картины и необходимо исполь зовать более сложные и не столь наглядные характеристики опти ческих систем. В качестве такой характеристики наиболее часто используют оптическую передаточную функцию (ОПФ), или, как ее еще называют, частотно-контрастную характеристику (ЧКХ).

Рассмотрим это понятие подробнее.

Пусть объект (рис. 1.12), который мы рассматриваем в микро скоп, представляет собой решетку с абсолютным контрастом и си нусоидальным пропусканием амплитуды поля, т. е. описывается выражением Конспект лекций x (1.46) A 1 K sin, d где d1 – период решетки;

K 1 – коэффициент контраста.

Q P a в 2u n P Q n Sпр Рис. 1.12. Схема образования изображения несамосветящегося объекта, по Аббе На него перпендикулярно плоскости, к которой он расположен, падает плоская волна света (центральное освещение по Кёллеру) с амплитудой A0. На решетке происходит дифракция света, при этом свет «расщепляется» на три составляющие, которые получи 46 Оптическая микроскопия ли название нулевого (0), плюс первого (+1) и минус первого (–1) порядков дифракции. Нулевой порядок распространяется без от клонений, а (+1) и (–1) порядки распространяются под углами sin 1 / d1 и sin 1 / d1 к оптической оси. Угол дифракции зависит от периода решетки и длины волны света.

Из рис. 1.12 видно, что дифрагированное излучение не попадает целиком в объектив, если период решетки достаточно большой.

Это приводит к тому, что контраст изображения решетки будет меньше, чем исходный, т. е. K 1. Если мы построим зависимость контраста от пространственной частоты решетки 1/ d, то по лучим функцию, представленную на рис. 1.12. Данная функция получила название ОПФ, или ЧКХ, и она позволяет полностью оп ределять качество изображения, формируемого любой оптической системой. Нетрудно заметить, что для некоторой частоты решетки кр 1/ d кр дифракционные порядки пойдут под таким большим углом к оптической оси, что не попадут в объектив микроскопа с числовой апертурой NA. Тогда контраст в изображении решетки будет равен нулю, и она не будет разрешаться данным прибором.

Нетрудно заметить, что d кр / sin кр с точностью до константы совпадает с разрешающей способностью микроскопа, а sin кр равняется числовой апертуре его объектива. Фактически кр оп ределяет разрешающую способность микроскопа. Согласно теории рядов Фурье, каждый объект может быть представлен в виде сум мы синусоидальных решеток различной частоты и контраста. Та ким образом, ОПФ определяет искажение каждой частоты состав ляющей объект и всего объекта в целом при формировании изо бражения оптической системой микроскопа. В оптике принято считать, что ОПФ наиболее полно определяет качество изображе ния и позволяет судить о том, какие детали изображения искажа ются в большей степени. Как правило, ОПФ определяют экспери ментально для каждого конкретного прибора, что позволяет учи тывать аберрации, недостатки сборки и стекла и т. д. Вид ОПФ может существенно изменяться от прибора к прибору, при этом кр и разрешающая способность остаются неизменными при не изменной числовой апертуре объектива. Поэтому микроскопы раз личных фирм с одинаковой разрешающей способностью строят различные по качеству изображения. Тем не менее в повседневной Конспект лекций практике использование ОПФ не очень удобно и применяется по нятие разрешающей способности.

Исследования в области радиофизических и оптических изме рений показали, что при достаточно точной регистрации рэлеев ский предел может быть существенно превзойдён. Было доказано, что разрешающая способность микроскопа определяется не аппа ратными свойствами самого прибора, т. е. его ОПФ, а точностью измерения выходного сигнала. Следовательно, при высокоточных измерениях изображения принципиально возможно достижение сверхразрешения в оптической микроскопии.

Восстановление изображения со сверхвысоким разрешением представляет собой двухэтапный процесс. На первом этапе осуще ствляется регистрация изображения с максимально высокой точ ностью. На втором этапе на ЭВМ решается обратная задача редук ции к идеальному прибору, которая сводится к компенсации ОПФ.

Такая реконструкция изображений осуществляется при знании пе редаточной функции с использованием специальных алгоритмов.

Теоретические оценки и экспериментальные исследования данно го метода показали возможность получения разрешающей способ ности в оптическом микроскопе 0,1 0,01 мкм. Фактически по является возможность изучения микрообъектов с детализацией аналогичной электронной микроскопии на базе оптического мик роскопа.

Однако получение сверхразрешения выдвигает высокие требо вания к прибору: во-первых, необходима высокая точность реги страции изображений в микроскопе и, во-вторых, полная автома тизация процесса измерения.

Продольное разрешение микроскопа в литературе иногда назы вают глубиной резкого изображения. Оно характеризует возмож ные пределы перемещения плоского объекта без заметного ухуд шения резкости изображения. Определить продольное разрешение можно по аналогии с поперечным – по размеру диска Эри вдоль оптической оси. Дифракционная теория формирования изображе ния дает следующую величину:

Rz (1.47).

2NA Из данного выражения видно, что разрешающая способность по глубине обратно пропорциональна квадрату числовой апертуры микрообъектива. Поэтому для микрообъективов с большой число 48 Оптическая микроскопия вой апертурой глубина резкости составляет величину порядка длины волны, что требует очень точной фокусировки при анализе изображений. Нетрудно заметить, что определить аксиальную раз решающую способность по аналогии с критерием Рэлея невоз можно, так как при наблюдении двух светящихся объектов, распо ложенных вдоль оптической оси, они будут затенять друг друга, и различить их практически нельзя.

Приведенные выражения для разрешающей способности были получены для плоских объектов согласно дифракционной теории формирования изображения. Их использование для оценки качест ва изображений трехмерных объектов, каковыми являются живые клетки, требует большой осторожности. В частности, для исследо вания фазовых объектов, ход лучей в которых описывается эйко нальным уравнением, необходимо применять другие оценки.

1.6.3. ЗЕРКАЛЬНЫЕ И ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЕ ОБЪЕКТИВЫ а б 1 3 в г F Рис. 1.13. Принципиальные оптические схемы некоторых зеркальных и зеркало-линзовых объективов:

а – объектив Максутова;

б – объектив Волосова;

в – объектив Русинова;

г – объектив Попова В связи с развитием инфракрасной техники, высокотемператур ной металлографии, микроанализаторов возросла роль зеркальных и зеркально-линзовых объективов. Эти объективы, показанные на рис. 1.13, имеют ряд преимуществ перед линзовыми системами:

Конспект лекций рабочее расстояние этих объективов может в несколько раз превышать фокусное расстояние;

широкая область ахроматизации, возможность наблюдения объектов в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спек тра без перефокусировки микроскопа;

возможность создания высокоапертурных объективов для видимой и инфракрасной областей спектра с апохроматиче ской коррекцией и уменьшенной кривизной поверхности изображения.

Особый интерес представляют высокоапертурные зеркальные системы – апланаты, содержащие несферические поверхности, применяемые для любой области спектра.

Однако изготовление указанных объективов сопровождается значительными технологическими трудностями, вызываемыми вы сокими требованиями к качеству отражательных поверхностей, центрировке, а также сложностью механических узлов. Во избежа ние паразитной засветки эти объективы требуют специальных оправ и экранов. Наличие центрального экранирования снижает контраст в изображении. Светопропускание зеркально-линзовых объективов ниже, чем линзовых с такими же оптическими характеристиками.

Поэтому выбор зеркально-линзовых систем должен быть тщатель но обоснован. Теория и методы расчета зеркальных и зеркально линзовых объективов широко представлены в литературе.

1.6.4. ОКУЛЯРЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МИКРОСКОПАХ Применяемые в микроскопах окуляры можно разделить на две основные группы: визуальные окуляры, служащие для наблюдения изображения глазом;

окуляры, используемые в микрофотографии и микропроекционных устройствах.

Так как через окуляры проходят узкие пучки лучей, поэтому их сферическая и сферохроматическая аберрации малы по сравнению с остаточными аберрациями объектива. В некоторых окулярах ис правляются хроматизм увеличения и дисторсия. Применение оку ляра определяется типом объектива и характером исправления аберраций.

Визуальные окуляры должны давать неискаженное изображе ние по всему полю. При этом допускается некоторая кривизна по ля благодаря аккомодационной способности глаза. Кроме того, при визуальном наблюдении всегда имеется возможность устано 50 Оптическая микроскопия вить микроскоп на центр или край поля. Фотографические и про екционные окуляры, а также окуляры, применяемые с план объективами, должны давать плоскую поверхность изображения.

Иногда это достигается за счет увеличения астигматизма.

а б ПД ПД F F в г ПД ПД F F Рис. 1.14. Оптические схемы окуляров, применяемых в микроскопах:

а – окуляр Гюйгенса;

б – окуляр Кёльнера;

в – окуляр Гюйгенса компенсационный;

г – окуляр Аббе Наиболее распространенными в микроскопах являются следую щие типы окуляров: Гюйгенса, Кельнера, компенсационные, орто скопические, симметричные, панкратические, специальные и отри цательные (гомалы).

Окуляры Гюйгенса применяются с ахроматами (рис. 1.14, а). Они состоят из двух плосковыпуклых линз. Линейное поле окуляра 2 y Dпд k, где Dпд – диаметр полевой диафрагмы;

k – линей ное увеличение коллективной линзы. Угловое поле окуляров Гюй генса порядка 30, а увеличение не более 7–10 крат из-за небольшого удаления выходного зрачка. Хроматизм увеличения исправлен.

Окуляры Кельнера (рис. 1.15, б) состоят из простой коллективной линзы и двухсклеенной глазной. Угловое поле колеблется в пределах 40–50°. В этих пределах аберрация исправлена достаточно хорошо.

Полевая диафрагма находится в передней фокальной плоскости.

Компенсационные окуляры применяются с апохроматами, пла нобъективами и ахроматами больших увеличений. Они компенси руют хроматизм увеличения объективов. Наибольшее распростра нение получили компенсационные окуляры, выполненные по схеме Гюйгенса и Аббе (рис. 1.15, в, г). Эти окуляры имеют удовлетвори тельную коррекцию аберраций, но хроматизм увеличения не по Конспект лекций стоянен по полю, например, если в центре поля он равен 1%, то на краю поля – порядка 2%. При использовании таких окуляров с планапохроматами появляется окраска, снижающая качество изображения.

а в F F б г F F Рис. 1.15. Оптические схемы компенсационных окуляров с улучшенной коррекцией аббераций:

а – Кельнера;

б, в – Гюйгенса;



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.