Получение изображения в оптической системе микроскопа

Оптическая система микроскопа состоит из двух систем линз: объектива и окуляра. Последний позволяет рассматривать объект под большим, чем это возможно, углом зрения и повышает его раз­решающую способность. Важнейшими оптическими характеристи­ками микроскопа являются общее увеличение, разрешающая способ­ность и глубина резкости.

Общее увеличение характеризует масштаб, определяемый из от­ношения размеров изображения к размерам объекта. Объективы и окуляры в микроскопах изготавливают сменными, с разными фокус­ными расстояниями, что обеспечивает получение различных увели­чений.

Разрешающую способность микроскопа ограничивает волновая природа света — при больших увеличениях в системе возникают дифракционные явления, и различимость деталей падает. Макси­мальное разрешение у обычных микроскопов составляет половину световой волны. Если длина волны видимой границы фиолетовых лучей составляет 400 нм, то минимальное расстояние между двумя различаемыми деталями составит 200 нм, или 0,0002 мм. Поскольку глаз человека различает две соседние точки с интервалом в 0,2 мм, то полезное увеличение микроскопа в этом случае составит 0,2: 0,0002= 1000^х. Современные просвечивающие электронные мик­роскопы достигают разрешения порядка 1,4—2А.

293

От действующего отверстия объектива зависит его светосила и освещенность изображения. Чем оно больше, чем больше света по­падает в объектив.

Глубина резкости при микросъемке ничтожно мала. На примере макрофотографии было показано, что она с увеличением масштаба изображения уменьшается. Поскольку размеры изображения во много раз превышают размеры объекта, то глубина резкости состав­ляет тысячные доли миллиметра. При визуальном наблюдении ни­чтожность глубины резкости в микроскопе не представляет особых проблем, поскольку за счет аккомодации глаз человека фокусирует зрение на различных по глубине участках.

Глубина резкости, получаемая при микросъемке, не совпадает с наблюдаемой в окулярах микроскопа. При микросъемке изображе­ние должно точно совпадать с плоскостью расположения фотомате­риала. Если же глубина объекта превышает глубину резкости, то отдельные его части на фотоснимке будут нерезкими.

Глубина резкости микрообъективов определяется их собствен­ным увеличением и действующим отверстием. С уменьшением соб­ственного увеличения она возрастает. С уменьшением последнего снижается освещенность изображения, а также разрешающая спо­собность микрофотографической системы. Это необходимо учиты­вать в работе, подбирая при съемке оптимальное соотношение зна­чений глубины резкости и разрешающей способности.

Оптические элементы микроскопов. Микроскоп — сложный оп­тический прибор. Основным его элементом является объектив, кото­рый формирует первичное изображение объекта. От объектива в первую очередь зависит получаемое увеличение и качество изобра­жения. Для микросъемки целесообразно использовать разные объек­тивы.

Наиболее просты по конструкции ахроматы, имеющие широкий диапазон собственных увеличений от 1 до 100^х. Для микросъемки они применяются редко.

Апохроматы дают более высокое разрешение деталей, имеют меньший диапазон собственных увеличений. При микросъемке це­лесообразно сочетание ахроматов с компенсационными окулярами.

Флюоритные системы занимают промежуточное положение между ахроматами и апохроматами. Благодаря использованию флю­орита достигается лучшая цветовая коррекция, чем у ахроматов. Применяются в сочетании с компенсационными окулярами.

Микроанастигматы — короткофокусные объективы, дающие плоское по всему полю изображение. Они создают большую глубину

резкости, рассчитаны для съемки с фотокамерой без объектива, дают увеличение до 25—30^х.

Планахроматы и планапохроматы — это объективы с устранен­ной кривизной поля изображения. Для съемки рекомендуется ис­пользовать их совместно с компенсационными окулярами.

Микрофотографические объективы различаются также:

— по спектральным свойствам (для видимой области спектра, ультрафиолетовой или инфракрасной);

— по среде между объективом и препаратом (сухие и иммерсион­ные);

— по методу наблюдения (обычные, фазово-контрастные, интер­ференционные и др.);

— по типу используемого препарата (для препаратов с покров-ым стеклом и без него).

Каждый объектив может применяться только в тех условиях, для [оторых он рассчитан.

Обозначение объективов стандартизировано. Основные рабочие характеристики выгравированы на их оправе в виде отдельных букв и цифр. Буквенный индекс обозначает марку (тип) объектива:

П (План) — апохроматический;

АПО — апохроматический;

МИ — объектив для масляной иммерсии;                        I

ВИ — объектив для водяной иммерсии.

Цифровые индексы показывают увеличение и действующее от­верстие объектива, например 4^х и 0,24: 4^х — собственное увеличение объектива; 0,24 — его действующее отверстие.

Комбинация окуляров и объективов для микросъемки. Основ­ное значение при формировании изображения в микроскопе принад­лежит объективу, воспроизводящему наиболее мелкие элементы ис­следуемого объекта. Задача окуляра — воспроизвести детали изобра­жения, сформированного объективом, скомпенсировать некоторые свойственные ему недостатки. Основная характеристика окуляров — их собственное увеличение, которое может составлять 3—20^х и вы­гравировано на оправе.

Различают следующие виды окуляров: Гюйгенса, компенсацион­ные, проекционные, или фотографические, и гомали. Первые два предназначены для визуального наблюдения объектов, но могут быть применены и для микрофотографирования. Последние разра­ботаны специально для микросъемки.

Окуляры Гюйгенса применяются в сочетании с ахроматами и флюоритными системами. Компенсационные окуляры оптимальны

295

294

 

в сочетании с апохроматическими системами и наиболее сильными ахроматами. Проекционные, или фотографические, окуляры имеют подвижную верхнюю (глазную) линзу, которая может перемещаться вверх или вниз по винтовой резьбе оправы. Благодаря этому получа­ют действительное изображение объекта в фокальной плоскости фо­токамеры без перефокусировки оптической системы микроскопа. Гомали (окуляры-выравниватели) предназначены только для микро­съемки. Они рассчитаны для работы в сочетании с апохроматами и сильными ахроматами.

Микрофотографические системы. Оптическая система микро­скопа дает увеличенное, но мнимое изображение. Чтобы сфотогра­фировать объект, необходимо получить действительное изображе­ние и спроецировать его на плоскость фотоматериала. Для этого используют следующие микрофотографические системы:

1. С объективом микроскопа и фотокамерой без объектива — предназначена для фиксации небольших увеличений, когда требует­ся значительная глубина резко изображаемого пространства. Микро­скоп при этом (рис. 68а) является обычным проекционным прибо­ром, изображение формируется световыми лучами так же, как при макросъемке. Над тубусом микроскопа устанавливают фотокамеру, а изображение на матовом стекле фокусируют изменением предмет­ного расстояния, т.е. перемещением объектива. Применяются объек­тивы только с относительным отверстием 0,2—0,1 или специаль­ные — микроанастигматы.

2. С объективом, окуляром микроскопа и фотокамерой без объ­ектива — дает действительное изображение объекта (рис. 686). Оку­ляр при этом работает как второй объектив, а создаваемое им изо­бражение проецируется на матовое стекло фотокамеры. Для мик­росъемки этим способом пригодны проекционные или фотографи­ческие окуляры, которые за счет изменения положения глазной линзы перемещают главный фокус относительно первичного изо­бражения.

3. С объективом, окуляром микроскопа и фотокамерой с объекти­вом — работает в режиме микроскопии. Вместо глаза человека над окуляром (рис. 68в) устанавливают фотокамеру с объективом, сфо­кусированным на бесконечность. Объектив изменяет ход лучей в микроскопе и проецирует действительное изображение в фокальную плоскость фотокамеры. Хорошее качество достигается сочетанием фотообъективов с углом поля изображения до 45° и компенсацион­ных окуляров, у которых угол поля зрения достигает 50°. Микроскоп с фотокамерой соединяют на жесткой установке, как можно точнее

296

Рис. 68. Ход лучей в микрофотографических системах:

а — с объективом микроскопа; б — с объективом и окуляром микроскопа;

в — с объективом, окуляром микроскопа и объективом фотокамеры;

г — с объективом микроскопа и гомалью

совмещая их оптические оси. Затем приближают аппарат к микроско­пу настолько, чтобы выходной зрачок окуляра совпал с передней линзой фотообъектива.

4. С объективом микроскопа и гомалью (отрицательной системой линз). В этом случае первичное изображение отсутствует, а увеличен­ное гомалью изображение проецируется на матовое стекло или све­точувствительный материал (рис. 68г). Гомали дают изображения высокого качества благодаря способности выравнивать кривизну поля изображения. Однако их применение ограничено микрофото-установками типа ФМН, металлографическими и некоторыми други­ми микроскопами.