Каковы основные области применения оптических микроскопов?
Оптический микроскоп — древний и молодой научный инструмент. С момента своего рождения он имеет трехсотлетнюю историю. Оптические микроскопы широко используются, например, в биологии, химии, физике, астрономии и т. д. В некоторых научно-исследовательских работах все неотделимо от микроскопа.
В настоящее время это почти стало имиджевым одобрением науки и техники. Вам нужно только увидеть его частые появления в сообщениях СМИ о науке и технике, чтобы убедиться, что это правда.
В биологии лаборатория неотделима от этого экспериментального инструмента, который может помочь учащимся изучать неизведанный мир; понять мир.
Больницы являются крупнейшими местами применения микроскопов. Они в основном используются для изучения изменений в биологических жидкостях пациентов, проникновения бактерий в организм человека, изменений в клеточной структуре и т. д., а также предоставляют врачам справочные и контрольные методы для разработки планов лечения. В микрохирургии микроскоп — единственный инструмент врача; в сельском хозяйстве, селекции, борьбе с вредителями и других работах без помощи микроскопа не обойтись; в промышленном производстве возможны обработка, проверка и сборка мелких деталей, изучение свойств материалов. Место, чтобы показать свои таланты; следователи по уголовным делам часто полагаются на микроскопы для анализа различных микроскопических преступлений как на важное средство для определения настоящего преступника; отделы охраны окружающей среды также используют микроскопы для обнаружения различных твердых загрязнителей; геологические и горные инженеры, культурные реликвии и археологи используют микроскопы. Подсказки, найденные с помощью микроскопа, могут быть использованы для оценки глубоких подземных шахт или для построения истинного образа пыльной истории; даже повседневная жизнь людей неотделима от микроскопа, например, индустрия красоты и парикмахерских услуг, которые могут использовать микроскоп для обнаружения кожи, волос и т. д. Получите наилучшие результаты. Видно, насколько тесно микроскоп интегрирован с производством и бытом людей.
В соответствии с различными целями применения микроскопы можно условно разделить на четыре общие категории: биологические микроскопы, металлографические микроскопы, стереомикроскопы и поляризационные микроскопы. Как следует из названия, биологические микроскопы в основном используются в биомедицине, а объекты наблюдения в основном представляют собой прозрачные или полупрозрачные микроскопические тела; металлографические микроскопы в основном используются для наблюдения за поверхностью непрозрачных объектов, таких как металлографическая структура и поверхностные дефекты материалов; Когда объект увеличивается и отображается, это также делает ориентацию объекта и изображения относительно человеческого глаза последовательной и имеет ощущение глубины, которое соответствует обычным визуальным привычкам людей; микроскоп поляризованного света использует характеристики пропускания или отражения различных материалов для поляризованного света, чтобы различать различные компоненты микрообъектов. Кроме того, некоторые специальные типы также могут быть подразделены, такие как перевернутый биологический микроскоп или культуральный микроскоп, который представляет собой биологический микроскоп, используемый в основном для наблюдения за культурой через дно сосуда для культивирования; флуоресцентный микроскоп использует определенные вещества для поглощения определенного света с более короткой длиной волны и характеристики излучения определенного света с большей длиной волны, чтобы обнаружить существование этих веществ и определить их содержание; сравнительные микроскопы могут формировать расположенные рядом или наложенные друг на друга изображения двух объектов в одном и том же поле зрения, чтобы сравнивать сходства и различия двух объектов.
Традиционные оптические микроскопы в основном состоят из оптических систем и поддерживающих их механических конструкций. К оптическим системам относятся объективы, окуляры и конденсоры — сложные увеличительные стекла, изготовленные из различных оптических стекол. Объектив увеличивает образец, а его увеличение M определяется по следующей формуле: M объект =Δ∕f'объект , где f'объект — фокусное расстояние объектива, а Δ можно понимать как расстояние между линзой объектива и окуляром. Окуляр снова увеличивает изображение, сформированное объективом, формируя мнимое изображение на расстоянии 250 мм перед глазами людей для наблюдения. Это самая удобная позиция для наблюдения для большинства людей. Увеличение окуляра М окуляр=250/f' окуляр, f' окуляр - фокусное расстояние окуляра. Общее увеличение микроскопа является произведением объектива и окуляра, то есть M=Moobject*Meye=Δ*250∕f'eye*f;object. Можно видеть, что уменьшение фокусного расстояния линзы объектива и окуляра увеличит общее увеличение, что является ключом к наблюдению микроорганизмов, таких как бактерии, с помощью микроскопа, и это также разница между ним и обычными увеличительными стеклами.
Итак, можно ли бесконечно уменьшать сетку f' объекта f', чтобы увеличить увеличение, чтобы мы могли видеть более тонкие объекты? Ответ - нет! Это связано с тем, что свет, используемый для визуализации, по сути является электромагнитной волной, поэтому в процессе распространения неизбежно будут возникать дифракция и интерференция, точно так же, как рябь на поверхности воды, которую мы видим в повседневной жизни, может огибать при столкновении с препятствиями, и когда два столба водные волны встречаются, они могут усиливать друг друга. или ослабленный. Когда световая волна, испускаемая точечной светоизлучающей точкой объекта, попадает в линзу объектива, оправа линзы объектива препятствует распространению света, что приводит к дифракции и интерференции. Имеется серия ореолов со слабой и постепенно ослабевающей интенсивностью. Мы называем центральное яркое пятно диском Эйри. Когда две излучающие свет точки находятся близко на определенном расстоянии, два световых пятна будут перекрываться до тех пор, пока их нельзя будет подтвердить как два световых пятна. Рэлей предложил критерий, заключающийся в том, что когда расстояние между центрами двух световых пятен равно радиусу диска Эйри, два световых пятна можно различить. После расчета расстояние между двумя излучающими свет точками в это время равно e=0.61 ∕n.sinA=0.61 In ∕ NA , в формуле in – длина волны света волны, длина волны световой волны, воспринимаемой человеческим глазом, составляет около 0.4-0,7 мкм, n — показатель преломления среды, в которой расположена точка излучения света, например, в в воздухе n≈1, в воде n≈1,33, а A – половина угла раскрытия светящейся точки к оправе объектива, а NA называется числовой апертурой объектива. Из приведенной выше формулы видно, что расстояние между двумя точками, которые может различить линза объектива, ограничено длиной волны света и числовой апертурой. Поскольку длина волны самого острого человеческого глаза составляет около 0,5 мкм, угол A не может превышать 90 градусов, а sinA всегда меньше 1. Максимальный показатель преломления доступной светопропускающей среды составляет около 1,5, поэтому значение e всегда больше 0,2 мкм, что является наименьшим предельным расстоянием, которое может разрешить оптический микроскоп. С помощью увеличения микроскопа, если вы хотите увеличить расстояние e до точки объекта, которое может быть разрешено объективом с определенным значением числовой апертуры, достаточным для того, чтобы его можно было различить человеческим глазом, Me больше или равно 0,15 мм, где {{30}}.15 мм — экспериментально полученный человеческий глаз. Минимальное расстояние между двумя микрообъектами, расположенными на расстоянии 250 мм от глаз, которое можно различить, поэтому M больше или равно (0,15∕0,61 в) NA≈500Н.А, чтобы сделать наблюдение не слишком трудоемким, достаточно удвоить М, то есть 500Н. A Меньше или равно M Меньше или равно 1000N.A является разумным диапазоном выбора для общего увеличения микроскопа. Каким бы большим ни было общее увеличение, оно бессмысленно, поскольку числовая апертура объектива ограничила минимальное разрешаемое расстояние. Мелкие объекты детализированы.
Контраст изображения — еще одна ключевая проблема оптических микроскопов. Так называемый контраст — это черно-белый контраст или цветовая разница между соседними частями на поверхности изображения. Человеческому глазу трудно оценить разницу в яркости ниже 0.02. чуть более чувствительный. Некоторые объекты наблюдения под микроскопом, такие как биологические образцы, имеют очень небольшую разницу в яркости между деталями. Кроме того, конструктивные и производственные ошибки оптической системы микроскопа еще больше снижают контраст изображения и затрудняют его различение. В это время детали объекта не могут быть четко видны не потому, что общее увеличение слишком мало. , это не потому, что числовая апертура объектива слишком мала, а потому, что контраст поверхности изображения слишком низок.
На протяжении многих лет люди усердно работали над улучшением разрешающей способности и контрастности изображений микроскопов. С непрерывным развитием компьютерных технологий и инструментов теория и методы оптического проектирования также постоянно совершенствуются. Постоянное совершенствование методов обнаружения и инновации методов наблюдения приблизили качество изображения оптических микроскопов к идеальной степени дифракционного предела. Он может адаптироваться к исследованию всех видов образцов. Хотя в последние годы последовательно появляются увеличительные и визуализирующие инструменты, такие как электронный микроскоп и ультразвуковой микроскоп, в некоторых аспектах они обладают более выгодными характеристиками, но они по-прежнему не могут быть дешевыми, удобными и интуитивно понятными, особенно подходящими для исследования живых организмов. Конкурирующие световые микроскопы, которые по-прежнему прочно удерживают свои позиции. С другой стороны, в сочетании с лазером, компьютером, технологией новых материалов и информационными технологиями древний оптический микроскоп омолаживает и демонстрирует сильную жизнеспособность. Цифровой микроскоп, лазерный конфокальный сканирующий микроскоп, сканирующий микроскоп ближнего поля, двухфотонный микроскоп и инструменты с различными новыми функциями или адаптируемыми к различным новым условиям окружающей среды появляются в бесконечном потоке, что еще больше расширяет область применения оптических микроскопов, например. Как захватывающе выглядят микроскопические снимки скальных образований, загруженные с марсохода! Мы можем полностью поверить, что оптический микроскоп принесет пользу человечеству с новым отношением.
