Inleiding tot de belangrijkste toepassingsgebieden van de optische microscoop
De optische microscoop is een oud en jong wetenschappelijk hulpmiddel. Het heeft een geschiedenis van 300 jaar sinds zijn geboorte. De optische microscoop heeft een breed scala aan toepassingen. In de biologie, scheikunde, natuurkunde, astronomie, enz. is het bijvoorbeeld bij sommige wetenschappelijke onderzoekswerkzaamheden onlosmakelijk verbonden met de microscoop.
Afhankelijk van de verschillende toepassingsdoeleinden kunnen microscopen grofweg worden ingedeeld in vier categorieën: biologische microscopen, metallografische microscopen, stereomicroscopen en polariserende microscopen. Zoals de naam al aangeeft, worden biologische microscopen voornamelijk gebruikt in de biogeneeskunde, en zijn de observatieobjecten meestal transparante of doorschijnende microlichamen; metallografische microscopen worden voornamelijk gebruikt om het oppervlak van ondoorzichtige objecten te observeren, zoals de metallografische structuur en oppervlaktedefecten van materialen; terwijl stereoscopische microscopen micro-objecten vergroten, maken ze ook objecten en beelden in dezelfde richting ten opzichte van het menselijk oog, en hebben ze een gevoel van diepte, dat in overeenstemming is met de conventionele visuele gewoonten van mensen; polariserende microscopen gebruiken de transmissie- of reflectie-eigenschappen van verschillende materialen voor gepolariseerd licht om verschillende micro-objectcomponenten te onderscheiden. Daarnaast kunnen enkele bijzondere typen ook nog eens worden onderverdeeld. Een omgekeerde biologische microscoop of een kweekmicroscoop is bijvoorbeeld een biologische microscoop die voornamelijk wordt gebruikt om cultuur te observeren via de bodem van een kweekvat; een fluorescentiemicroscoop gebruikt de eigenschappen van bepaalde stoffen om licht met een bepaalde kortere golflengte te absorberen en licht met een bepaalde langere golflengte uit te zenden om het bestaan van deze stoffen te ontdekken en de inhoud ervan te bepalen; een vergelijkingsmicroscoop kan naast elkaar geplaatste of over elkaar heen geplaatste beelden vormen van twee objecten in hetzelfde gezichtsveld om de overeenkomsten en verschillen tussen de twee objecten te vergelijken.
Traditionele optische microscopen bestaan voornamelijk uit optische systemen en hun ondersteunende mechanische structuren. De optische systemen omvatten objectieflenzen, oculairs en condensorlenzen, allemaal ingewikkelde vergrootglazen gemaakt van verschillende optische glazen. De objectieflens vergroot het monster, en de vergroting ervan Mobject wordt bepaald door de volgende formule: Mobject =Δ∕f'object, waarbij f'object de brandpuntsafstand van de objectieflens is, en Δ kan worden opgevat als de afstand tussen de objectieflens en het oculair. Het oculair vergroot het beeld dat door de objectieflens wordt gevormd opnieuw en vormt een virtueel beeld op 250 mm voor het menselijk oog voor observatie. Dit is voor de meeste mensen de meest comfortabele observatiepositie. De vergroting van het oculair M=250/f' oog, waarbij f' de brandpuntsafstand van het oculair is. De totale vergroting van de microscoop is het product van de objectieflens en het oculair, dat wil zeggen: M=M object*M oog=Δ*250/f' oog *f; voorwerp. Het is duidelijk dat het verkleinen van de brandpuntsafstand van de objectieflens en het oculair de totale vergroting zal vergroten, wat de sleutel is tot het zien van bacteriën en andere micro-organismen met een microscoop, en het is ook het verschil tussen deze microscoop en gewone vergrootglazen.
Is het dus denkbaar om het f'-object f' mesh onbeperkt te verkleinen, om zo de vergroting te vergroten, zodat we subtielere objecten kunnen zien? Het antwoord is nee! Dit komt omdat het licht dat voor beeldvorming wordt gebruikt in wezen een soort elektromagnetische golf is, dus diffractie- en interferentieverschijnselen zullen onvermijdelijk optreden tijdens het voortplantingsproces, net zoals de rimpelingen op het wateroppervlak die in het dagelijks leven te zien zijn, rond kunnen gaan als ze obstakels tegenkomen. , en twee kolommen watergolven kunnen elkaar versterken of verzwakken wanneer ze elkaar ontmoeten. Wanneer de lichtgolf die wordt uitgezonden door een puntvormig lichtgevend object de objectieflens binnendringt, belemmert het frame van de objectieflens de voortplanting van licht, wat resulteert in diffractie en interferentie. Nadat het door de objectieflens is gegaan, kan het zich niet langer op één punt verzamelen, maar vormt het een lichtvlek van een bepaalde grootte, en er is een reeks lichtringen met een zwakke en geleidelijk afnemende intensiteit aan de rand. Het centrale lichtpunt noemen we een Airy-schijf. Wanneer twee lichtuitstralende punten zich dicht bij een bepaalde afstand bevinden, zullen de twee lichtvlekken elkaar overlappen totdat ze niet meer als twee lichtvlekken kunnen worden herkend. Rayleigh stelde een beoordelingsnorm voor, waarbij hij dacht dat wanneer de afstand tussen de middelpunten van de twee lichtvlekken gelijk is aan de straal van de Airy-schijf, de twee lichtvlekken kunnen worden onderscheiden. Na berekening is de afstand tussen de twee lichtemitterende punten op dit moment e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA In de formule is In de golflengte van de lichtgolf, en de golflengte van de lichtgolf die door het menselijk oog kan worden ontvangen is ongeveer 0.4-0.7um, en n is de brekingsindex van het medium waar het lichtuitzendpunt zich bevindt. In lucht bijvoorbeeld, n≈1, in water, n≈1,33, en A is de helft van de openingshoek van het luminescerende punt ten opzichte van het frame van de objectieflens, en NA wordt de numerieke opening van de objectieflens genoemd. Uit de bovenstaande formule blijkt dat de afstand tussen twee punten die de objectieflens kan onderscheiden, wordt beperkt door de golflengte van het licht en de numerieke opening. Aangezien de golflengte van het meest gevoelige menselijke oog ongeveer 0.5um bedraagt, en de hoek A niet groter kan zijn dan 90 graden, is sinA altijd kleiner dan 1. De maximale brekingsindex van de beschikbare lichtdoorlatende medium is ongeveer 1,5, dus de waarde van e is altijd groter dan 0.2um, wat de minimale limietafstand is die kan worden opgelost door een optische microscoop. Vergroot het beeld door een microscoop. Als je de objectpuntafstand e die door de objectieflens kan worden opgelost met een bepaalde NA-waarde voldoende wilt vergroten om door het menselijk oog te worden opgelost, heb je Me Greater than or equal to 0.15mm nodig, waarbij { {29}}.15 mm is de minimale afstand tussen twee micro-objecten die door het menselijk oog kunnen worden onderscheiden op 250mm voor uw ogen, dus M Groter dan of gelijk aan (0,15∕0,61)NA ≈500N.A. Het is voldoende om de vergroting te verdubbelen, dat wil zeggen 500N.A. Minder dan of gelijk aan M. Minder dan of gelijk aan 1000N.A, wat een redelijk selectiebereik is van de totale vergroting van de microscoop. Hoe groot de totale vergroting ook is, het is zinloos, omdat de numerieke opening van de objectieflens de minimaal oplosbare afstand heeft beperkt, en het onmogelijk is om kleinere objectdetails te onderscheiden door de vergroting te vergroten.
Beeldcontrast is een ander belangrijk probleem bij optische microscopen. Het zogenaamde contrast verwijst naar het zwart-witcontrast of kleurverschil tussen aangrenzende delen op het beeldoppervlak. Het is voor het menselijk oog moeilijk om het helderheidsverschil onder 0.02 te beoordelen, maar het is iets gevoeliger voor het kleurverschil. Sommige microscoopobjecten, zoals biologische exemplaren, hebben een zeer klein verschil in helderheid tussen de details, en de ontwerp- en fabricagefouten van het optische systeem van de microscoop verminderen het beeldcontrast verder en maken het moeilijk om onderscheid te maken. Op dit moment zijn de details van het object niet duidelijk zichtbaar.
Door de jaren heen hebben mensen hard gewerkt om de resolutie en het beeldcontrast van de microscoop te verbeteren. Met de voortdurende vooruitgang van computertechnologie en -hulpmiddelen zijn de theorie en methoden van optisch ontwerp ook voortdurend verbeterd. Gekoppeld aan de verbetering van de prestaties van grondstoffen, de voortdurende verbetering van technologie en detectiemethoden en de innovatie van observatiemethoden, heeft de beeldkwaliteit van de optische microscoop de perfectie van de diffractielimiet benaderd. Mensen zullen monsterkleuring, donkerveld, fasecontrast, fluorescentie, interferentie en gepolariseerd licht gebruiken. Beeldvormingsinstrumenten zijn de een na de ander op de markt gekomen en presteren in sommige opzichten superieur, maar ze kunnen nog steeds niet concurreren met optische microscopen in termen van goedkoopheid, gemak, intuïtie en vooral geschikt voor onderzoek aan levende organismen. Optische microscopen nemen nog steeds stevig hun eigen positie in. Aan de andere kant, gecombineerd met laser, computer, nieuwe materiaaltechnologie en informatietechnologie, verjongt de oude optische microscoop en vertoont hij een krachtige vitaliteit. Digitale microscopen, laserconfocale scanningmicroscopen, near-field scanningmicroscopen, twee-fotonenmicroscopen en instrumenten met verschillende nieuwe functies of die zich kunnen aanpassen aan verschillende nieuwe omgevingsomstandigheden ontstaan in een eindeloze stroom, die het toepassingsgebied van optische microscopen verder uitbreidt, zoals voorbeelden. Hoe spannend zijn de microscopische foto’s van rotsformaties die zijn geüpload door de Mars-rovers! We kunnen er volledig van overtuigd zijn dat de optische microscoop de mensheid ten goede zal komen met een vernieuwde houding.
