Часть 4 (1125041), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Если рассматривать изображения точек образца,располагающихся на некотором расстоянии от оптической оси линзы, тоизображения их будут размытыми даже в случае полной компенсациисферической аберрации. Такие искажения получили название кома.Хроматическая аберрация возникает в случае освещения объектанемонохроматическим светом. Световые лучи более короткой длины волныпреломляются меньше, чем лучи более длинноволновые, отсюда возникаетцветовое размытие фокуса вдоль оптической оси.Более сложным видом искажений является астигматизм. Он обусловленнарушением осевой симметрии линзы и приводит к отличию фокусныхрасстояний для лучей, проходящих в плоскости рисунка, и лучей,располагающихся в перпендикулярной плоскости.
Искажения этого типаособенно существенны для электронной микроскопии, т.к. изготовитьмагнитную линзу (диаметры полюсных сердечников такой линзы могутсоставлять 10см. и более) с высокой степенью осевой симметрии достаточносложно.И, наконец, аберрация, называемая дисторсией, возникает, когдаотдельные точки объекта, располагающиеся на разных расстояниях отоптической оси, имеют разное увеличение. В случае, когда увеличениеуменьшается с увеличением расстояния от оптической оси, дисторсияназывается бочковидной, в противоположном случае - подушковидной.В оптической микроскопии перечисленные виды аберраций взначительной степени удается скорректировать высоким качествомизготовления оптики и применением специальных сложных объективов111(ахроматические, апохроматические).
Однако, полностью исправить всеаберрации линз практически невозможно.В зависимости от характера освещения объекта различают два типамикроскопов - микроскопы, работающие с прозрачными объектами, ихназывают просвечивающими (иногда биологическими), и приборы,предназначенные для изучения непрозрачных объектов, называемые обычноотражательными(иногдаметаллографическими).Всовременныхуниверсальных приборах эти возможности обычно совмещаются в виде двухрежимов освещения - "на просвет" и "на отражение". На рис.4.3 показанаклассическая схема микроскопа предназначенного для работы на отражение.Рис.4.3.Схемаметаллографическогомикроскопа.
1-источник света; 2-апертурнаядиафрагма конденсора; 3-конденсорная линза; 4полупрозрачноезеркало;5-объектив;6плоскость объекта; 7-плоскость первогоизображения; 8-окуляр; 9-плоскость второгоизображения.В зависимости от решаемых задач могут использоваться различныеисточники света: различной степени яркости, моно- и полихроматические,плоско-поляризованные и с более сложной структурой света, ультрафиолетовыеи инфракрасные и пр. Для этих целей применяются лампы накаливания свольфрамовой нитью (в виде плоской ленты или спирали), ксеноновые,циркониевые, ртутные и дуговые лампы, каждая из которых имеет и своипреимущества, и определенные недостатки, а их выбор определяетсяконкретной исследовательской задачей.Характер контраста и его качество существенным образом зависят отвыбора режима и правильности настройки освещения.
В зависимости отспособа освещения различают два типа контраста - светлопольный итемнопольный. Если прямые лучи светового потока от источника, освещающегообъект, близки по направлению к оптической оси прибора - такое освещениеназывают светлопольным.В целом ряде случаев для усиления контраста применяется метод косогоосвещения, которое может быть достигнуто смещением оси конденсораотносительно оптической оси микроскопа, или (как это обычно делается)некоторым смещением апертурной диафрагмы конденсора относительноглавной оси.Наиболее часто для усиления контраста используется другой прием метод темного поля.
Для осуществления этого вместо апертурной диафрагмы112конденсора помещается кольцевая диафрагма, которая и является в данномслучае кольцевым источником освещения образца. Контраст, получаемый притемнопольном освещении, является обратным по отношению к контрасту,формируемому в светлом поле, а именно, детали структуры, кажущиесясветлыми в светлом поле, становятся темными в темном поле и, наоборот,детали структуры, которые выглядят темными в светлом поле, будут светлымив темном поле. Сказанное выше, схематически проиллюстрировано на рис.4.4.Следует подчеркнуть, что разрешающая способность при этом не меняется,однако детали структуры, которые в светлом поле имеютслабуюконтрастность, могут в ряде случаев становиться более контрастными в темномполе.Рис.4.4.
Схема, иллюстрирующая образование светлопольного итемнопольного контраста.4.2.2. ТИПЫ КОНТРАСТА (АМПЛИТУДНЫЙ И ФАЗОВЫЙКОНТРАСТ)Контраст различных деталей объекта может формироваться в результатедействия нескольких факторов. На рис.4.4 был показан случай, когда контрастобразуется за счет лучей, отраженных от участков образца, различным образомориентированных относительно оптической оси микроскопа. В некоторыхслучаях контраст может формироваться в результате различия коэффициентовпоглощения или отражения различных участков образца. Все эти случаиотносятся к, так называемому, амплитудному контрасту. В целом ряде случаев[1-8] контраст формируется за счет изменения фазы лучей, рассеянныхобразцом, как, например, при отражении от объекта, имеющего на своейповерхности небольшую ступеньку (см. рис.4.5а), или когда образец состоит изучастков (биологические объекты), имеющих различные коэффициентыпреломления (см.
рис.4.5б). Такой контраст получил название фазовогоконтраста. Именно этот случай контраста играет большую роль в электронноймикроскопии.113Рис.4.5. Схема формирования фазового контраста.Рассмотрим этот случай более подробно. Пусть для определенностиобъект имеет вид, показанный на рис.4.5а. Если объект освещается плоскойволной E = E0 ⋅ sinωt , то после отражения от образца будут две волны: волна,отраженная от участка 1, будет иметь вид E1 = E0 ⋅ sinωt , волна, отраженная отучастка 2 - E 2 = E 0 ⋅ sin ωt − Δϕ .
Ясно, что мы не увидим контраста на этойbgступеньке, т.к. это отражается только на изменении фазы волны, а при2наблюдении в окуляр регистрируется интенсивность волны I = E . Для того,чтобы зарегистрировать такой контраст, необходимо изменение в фазе волныкаким-то образом преобразовать в изменение амплитуды, т.е., другими словами,произвести фазовое детектирование. Впервые эта задача была решена в 1934году Цернике. На рис.4.6 показан принцип такого преобразования.Будем считать, что изменение фазы, приобретаемое лучом, приотражении от объекта мало Δϕ<<1, речь идет о "тонком фазовом объекте".Положим также, что фаза зависит от координаты точки на поверхности образца,т.е.
Δϕ(x). Тогда амплитуда волны, отраженной от поверхности образца, будеттакже зависеть от координат точки образца и отображать рельеф поверхности визменениях фазыE ( x ) = E0 ⋅ sin ω t − Δ ϕ ( x )(4.4)ejЭто выражение можно преобразоватьE ( x ) = E0 ⋅ sinω t ⋅ cos Δ ϕ ( x ) − E0 ⋅ sin Δ ϕ ( x ) ⋅ cosω t ,ejej(4.5)или учитывая малость фазы(4.6)E ( x ) ≈ E0 ⋅ sinωt − E0 ⋅ Δ ϕ ( x ) ⋅ cosω tПервое слагаемое по существу представляет собой падающую волну, а второеслагаемое несет информацию о поверхности образца. Для вычисленияамплитуды волны E(x) необходимо изменить cosωt на sinω t , т.е.
сдвинуть фазуволны на π/2 или на четверть длины волныλ/4. Тогда выражение дляамплитуды приобретет видE ( x ) = E0 ⋅ 1 − Δϕ ( x ) ⋅ sinω t(4.7)ejи, следовательно, выражение для интенсивности можно записать22eI ( x ) = E ( x ) = E0 ⋅ 1 − Δϕ ( x )j2(4.8)E1(x), E2(x), E3(x)1141.00E10.00E3-1.000.001.00E2(x), E3(x)E22.004.006.008.0010.004.006.008.0010.006.008.0010.00E20.00E3-1.00E3(x), E4(x), E5(x)0.002.001.00E4E3Рис.4.6.Фазовыйсдвигволн,возникающий при рассеянии на фазовомобъекте.E50.00-1.000.002.004.00xE1(x)= sin(x), E2(x)= sin(x-ô ), E3(x)= E1(x)-E2(x),E4(x)= E2(x- p), E5(x)= E3(x)+ E4(x)Этот способ фазового детектирования микроскопического изображения былразработан Ф.Цернике в 1935 году.
Для его реализации необходимо разностнуюволну сдвинуть по фазе на четверть длины волны. Практически это реализуетсяв методике фазово-темнопольного контраста. Вместо апертурной диафрагмыконденсора помещается кольцевая диафрагма, а в фокальной плоскостиобъектива - кольцевая четвертьволновая фазовая пластинка производящаяфазовый сдвиг для части лучей прошедших через кольцевую диафрагму. Нарис.4.7 показан ход лучей в фазово-темнопольном микроскопе.Рис.4.7.
Ход лучей в фазво-темнопольном микроскопе. 1-источник света; 2-кольцеваяапертурная диафрагма; 3-конденсорная линза; 4-фазовый объект; 5-объектив; 6четверть-волновая пластинка; 7-фазово-темнопольное изображение объекта.1154.3. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ4.3.1. МИКРОСКОП, КАК ДИФРАКЦИОННЫЙ ПРИБОР.ПОДХОД АББЕЕсли падающий пучок описывается плоской волной, котораядифрагирует на объекте, то объект можно представить с помощью двумернойфункции прохождения q(x,y). Согласно представлениям волновой оптики(принцип Гюйгенса-Френеля) выходная поверхность объекта действует, каксовокупность точечных источников сферических волн, интерференция которыхприводит к возникновению в задней фокальной плоскости линзыдифракционной картины. Каждую точку полученной дифракционной картиныможно в свою очередь рассматривать, как источник Гюйгенса, генерирующийсферические волны, которые с учетом влияния аберрационных сдвигов фазинтерферируют в плоскости изображения.
Поэтому процесс формированияизображения объективной линзой можно представить, как двойное фурьепреобразование в пространстве от объекта до задней фокальной плоскости, гдевозникает дифракционная картина, и от этой плоскости до плоскостиизображения объекта, где формируется увеличенное изображение. Эта идея(см.рис.4.8) впервые была высказана Аббе в 1873 году.Рис.4.8.Схема,иллюстрирующаядифракционнуюприродуизображения,формируемого линзой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
