Дягилева А.В., Кузичев В.И., Поспехов В.Г., Сушков А.Л. - Микроскоп (Методические указания к лаюораторной работе)

Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаДягилева А.В., Кузичев В.И., Поспехов В.Г., Сушков А.Л.МИКРОСКОПМетодические указания к лабораторным работампо курсу “Прикладная оптика”Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана2009г.Цель работы- изучить оптическую схему микроскопа и его характеристики,исследовать зависимость характеристик микроскопа от параметров его отдельных элементов.Задачи работы – изучение теоретических положений и зависимостей,проведениеэксперимента,оформлениеотчёта.Отчётдолжен включатьосновныетеоретические положения и зависимости, оптические схемы микроскопа, осветительнойсистемы и схему измерения видимого увеличения микроскопа (рис.

1,3,5), таблицы срезультатами измерений.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ1. Оптическая схема микроскопа и его основные характеристики.Микроскопом называется оптическая система, предназначенная для наблюденияблизко расположенных предметов в увеличенном виде. Оптическая схема микроскопасостоит из двух частей: объектива и окуляра. Для получения необходимой яркостинаблюдаемых предметов в микроскопе имеется специальная осветительная система.Принципиальная оптическая схема микроскопа без осветительной системыпредставлена на рис.1. Объектив микроскопа (микрообъектив) создаёт действительное,перевернутое и увеличенное изображение предмета 2у. Это изображение 2у' получается впередней фокальной плоскости окуляра, поэтому в глаз наблюдателя поступают пучкипараллельных лучей. В случае нормального неаккомодированного глаза на сетчаткеполучиться резкое изображение предмета.При параллельной структуре пучков лучей за окуляром предмет 2у по отношениюко всему микроскопу расположен в его передней фокальной плоскости FМ.Основными характеристиками микроскопа является : видимое увеличение Г,линейное поле 2у, диаметр выходного зрачка D' (или числовая апертура А).Если предмет расположен в передней фокальной плоскости микроскопа, то его видимоеувеличение будетГ = 250 / f'M = - 250 n / fM.(1)где fM и f'M — переднее и заднее фокусные расстояния микроскопа; n — показательпреломления среды, в которой находится предмет.Если микрообъектив увеличивает изображение в βоб раз и это изображениерассматривается через окуляр с видимым увеличением Гок , то видимое увеличениемикроскопаГ = βоб Гок(2)βоб = a' / a.(3)Линейное увеличение микрообъективаВидимое увеличение окуляра определяется зависимостьюГок = 250 / f'ок(4)Значение двух последих величин гравируется на корпусах микрообъектива иокуляра.

Таким образом, при сочетании различных микрообъективов и окуляров можнополучить разные значения видимого увеличения микроскопа.Расстояние Δ между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляраназывается оптической длиной тубуса микроскопа и связано с увеличением микрообъективазависимостьюβоб = -Δ / f'об,(5)где f'об — заднее фокусное расстояние микрообъектива.У микроскопа данного вида расстояние L между предметом и изображениемпосле микрообъектива имеет постоянное значение для микрообъективов с различнымиувеличениями.

Например, в биологических микроскопах это расстояние часто равно 180 мм.Благодаря постоянству расстояния L при замене микрообъективов в микроскопе, наведённомна резкое видение предмета, резкость изображения почти не нарушается.Поле микроскопа измеряется в линейной мере и определяется диаметромплощадки 2у, видимой через микроскоп.

Линейное поле ограничевается размерами полевойдиафрагмы, которая устанавливается в передней фокальной плоскости окуляра (рис.1). Убольшинства микроскопов диаметр полевой диафрагмы равен 14...18 мм. Исходя из этогодиаметра линейное поле микроскопа2у = DПД / βоб(6)С другой стороны, диаметр полевой диафрагмы связан со значением угловогополя окуляра 2ω'. У большинства окуляров 2ω'= 40...70О.

При дальнейшем его увеличениизатрудняется аберрационная коррекция окуляра. Из рис.1 следует:DПД = 2 f'ок tgω'(7)Тогда с учётом зависимостей (2), (4) и (6) получим2у = (500tgω')/(βоб Гок )= 500 tgω' / Г(8)Откуда следует, что для данного окуляра линейное поле микроскопа будет тем меньше, чембольше видимое увеличение.Диаметр выходного зрачка микроскопа влияет на освещённость изображения,получаемого на сетчатке глаза. Апертурной диафрагмой в микроскопе является или оправаодной из линз микрообъктива, или диафрагма, специально устанавливаемая после объектива.В измерительных микроскопах апертурную диафрагму располагают в задней фокальнойплоскостимикрообъектива.Выходнымзрачкоммикроскопаявляетсяизображениеапертурной диафрагмы через послудующую часть оптической системы в прямом ходе лучей.Если апертурная диафрагма установлена в пространстве за микрообъективом, нарасстоянии zp от передней фокальной плоскости окуляра, то удаление выходного зрачка s'p'от последней поверхности окуляра будет ( рис.1)s'p' = s'F 'ок + z'P ' = s'F ' ок – f'ок2 / zp ,(9)где s'F ' ок — задний фокальный отрезок окуляра.Значение удаления должно быть достаточным для того, чтобы удобно совместитьзрачок глаза с выходным зрачком микроскопа.Диаметр выходного зрачка можно найти, рассмотрев ход луча, входящего вмикроскоп под углом σα ( рис.1) и учитывая необходимость выполнения условия синусов:D' = 2 fm n sinσA(10)Произведение n sinσA = A называется числовой апертурой микрообъектива или простоапертурой.

Апертура микрообъектива является одновременно и апертурой всего микроскопа.Подставляя в выражение (10) значение f'м из формулы (1), получимD' = 500 n sinσA / Г = 500 А / Г(11)Значение апертуры обычно гравируется на оправе микрообъектива. В соответствии сформулой (11) микроскопы больших увеличений имеют небольшие диаметры выходныхзрачков (меньше диаметра зрачка глаза), что может привести к недостаточной освещённостина сетчатке глаза.

Поэтому при больших увеличениях необходимо применять осветительныесистемы.2. Разрешающая способность микроскопаРазрешающей способностью (иногда силой) микроскопа называется способностьдавать раздельное изображение двух близких точек или линий. Разрешающая способностьявяляется величиной, обратной линейному пределу разрешения δ, которых характеризуетсялинейным расстоянием между двумя точками (линиями), раздельно изображаемымиоптической системой микроскопа.По теории дифракции линейный предел разрешенияδ = λ / (2А) = λ / 2n sinσA ,(12)где λ — длинна волны света, в котором осуществляется наблюдение; А — апертурамикроскопа (микрообъектива); n — показатель преломления среды, в которой находитсяпредмет; σA — апертурный угол в пространстве предметов (передний).Для повышения разрешающей способности микроскопа необходимо уменьшатьлинейный предел разрешения δ, т.е. увеличивать апертуру микроскопа А и уменьшать длинуволны λ.

Первое достигается разработкой новых микрообъективов, а также помещениемпредметов в иммерсионную среду с показателем преломления n > 1 (например n = 1,333имеет вода, n = 1,515 — кедровое масло, n = 1,6562 — монобромнафталин и т.д.), а второе —освещением предмета ультрафиолетовым светом.Чтобы глаз наблюдателя мог воспринимать раздельные изображения двух точек,расположенных на расстоянии δ (формула 12), необходимо иметь микроскоп ссоответствующим увеличением.Пусть две точки А и В, расположенные в передней фокальной плоскости микроскопа,находиться на расстоянии δ (рис. 2).

Угловой предел ψ между этими точкамиψ = δ / f'(13)Подставяя f' из формулы (13) в формулу (1), получимГ = 250 ψ / δ(14)Значение угла ψ должна быть не менее углового предела разрешения глаза и придиаметре зрачка глаза 2 мм это примерно 1'. Однако в микроскопах диаметр выходногозрачка (формула 11) редко имеет размер, превосходящий 0,5...1 мм, и действующимотверстием в системе микроскоп – глаз является выходной зрачок микроскопа. В этом случаепредел разрешения глаза снижается до 2'...4'.Подставляя в формулу (14) δ из выражения (12), будем иметьГпол = 500 А ψ / λ(15)Видимое увеличение микроскопа ( формула 15), при котором глаз наблюдателяполностью использует разрешающую способность микроскопа, называется полезнымувеличением.

Полагая λ= 0,000555 мм и выражая ψ в радианах (0,0006...0,0012), получимзависимость, связывающую полезное увеличение микроскопа с его апертурой:Гпол = (500...1000) А.Всякое дальнейшее повышение видимого увеличения нецелесообразно, так как не даствозможности обнаружить на предмете структуру более мелкую, чемпредел разрешения δ.3.

Осветительные системы микроскоповПредметы, наблюдаемые в микроскоп, в большинстве случаев несамосветящиеся,и поэтому, чтобы они были видимыми, их необходимо осветить посторонним источником.Кроме того, в микроскопах выходной зрачок имеет сравнительно небольшой диаметр,вследствие этого освещённость изображения на сетчатке глаза может быть недостаточной. Втаких случаях рассматриваемый предмет необходимо освещать, использую осветительныеустройства. Эти устройства бывают двух видов: 1) для наблюдения прозрачных предметов впроходящем свете; 2) для наблюдения непрозрачных предметов в отраженном свете.Осветительная система состоит из источника света, коллектора и конденсора. Дляполного использования разрешающей способности микроскопа необходимо, чтобы выходнаяапертура конденсора была не меньше входной апертуры объектива микроскопа.Не рассматривая всех возможных схем осветительных систем, приведём наиболеераспространённую схему для наблюдения в проходящем свете (рис.