Applicazione del concetto di microscopio moderno nell'osservazione del mondo microscopico
Dai tempi antichi ad oggi, gli esseri umani hanno perseguito verità più elevate e più lontane. Dai viaggi oceanici all'esplorazione dello spazio, le persone hanno conquistato grandi obiettivi uno dopo l'altro. Tuttavia, il mondo macroscopico che le persone vedono ad occhio nudo non è il mondo intero e l'occhio umano non può vederlo chiaramente. Attrae anche innumerevoli persone da esplorare e perseguire.
Indipendentemente dalle cose macroscopiche o microscopiche, le nostre osservazioni si basano sugli attributi dello spazio tridimensionale, cioè XYZ tridimensionale, e l'osservazione dei cambiamenti nella forma delle cose deve introdurre un altro fattore di misurazione - il tempo T, quindi il il modo più completo per osservare le cose deve essere La registrazione simultanea di XYZT, ovvero la fotografia a lungo termine della forma più il tempo, è anche la funzione ultima del microscopio.
Dopo oltre 300 anni di sviluppo, i microscopi moderni hanno proposto concetti come risoluzione, profondità di campo e campo visivo e hanno continuamente proposto soluzioni. I microscopi hanno inizialmente soddisfatto le nostre esigenze di osservazione del mondo microscopico e ci hanno aiutato a registrare lo spazio e il tempo del mondo microscopico.
La cosa più importante nell'osservazione microscopica del mondo è la risoluzione dei dettagli, e da qui è nato il concetto di risoluzione. La risoluzione si riferisce alla distanza minima tra due punti che possono essere distinti dall'occhio umano, ed è valida solo nella dimensione XY. Secondo il criterio di Rayleigh, il criterio di Rayleigh, il limite che le persone normali possono distinguere è di due punti di 0.2 mm a una distanza di 25 cm. Quando usiamo un microscopio, possiamo vedere due punti a una distanza minore, il che migliora la risoluzione della nostra osservazione. Con il continuo approfondimento della ricerca moderna, anche le esigenze di risoluzione delle persone sono in costante aumento e anche gli scienziati migliorano costantemente la risoluzione dei microscopi. Ad esempio, i microscopi elettronici hanno aumentato la risoluzione a livello nanometrico, consentendo l'osservazione dei virus. La tecnologia di imaging microscopico ultraelevata migliora la risoluzione del microscopio da 200 nanometri a decine di nanometri, realizzando l'osservazione di organelli cellulari viventi.
Il miglioramento della risoluzione porta anche nuovi problemi, ovvero la riduzione del campo visivo e della profondità di campo. Quando si utilizza il metodo di illuminazione centrale ordinario (il metodo di illuminazione fotopica che fa passare uniformemente la luce attraverso il campione), la distanza di risoluzione del microscopio è d=0.61 λ/NA, l'intervallo di lunghezze d'onda della luce visibile è { {2}}nm, la lunghezza d'onda media è 550 nm e la lunghezza d'onda è una costante fissa. Pertanto, aumentando il valore NA è possibile ottenere un valore D inferiore, ovvero la distanza tra due punti che possono essere distinti. Più piccolo, consentendo alle persone di vedere chiaramente gli oggetti più piccoli.
Il valore NA è l'apertura numerica, che descrive la dimensione dell'angolo del cono di ricezione della luce della lente, NA=n * sin , ovvero il prodotto dell'indice di rifrazione (n) del mezzo tra la lente e l'oggetto da ispezionare e il seno della metà dell'angolo di apertura (2 ). n è l'indice di rifrazione della luce del mezzo tra la lente dell'obiettivo e il campione. Quando il mezzo spaziale dell'oggetto del microscopio è l'aria, l'indice di rifrazione n=1. L'uso di un mezzo con un indice di rifrazione più alto dell'aria può aumentare significativamente il valore NA. Il mezzo di immersione in acqua è acqua distillata e l'indice di rifrazione Il rapporto è 1,33; il mezzo obiettivo per l'immersione in olio è olio di cedro o altri oli trasparenti e il suo indice di rifrazione è generalmente di circa 1,52, che è vicino all'indice di rifrazione dell'obiettivo e del vetro scorrevole. Pertanto, il valore NA della lente ad olio è superiore a quello della lente ad aria.
L'angolo di apertura, noto anche come "angolo della bocca dello specchio", è l'angolo formato dal punto dell'oggetto sull'asse ottico della lente e dal diametro effettivo della lente frontale della lente dell'obiettivo. L'aumento dell'angolo della bocca dello specchio può aumentare il valore del seno e il suo limite superiore effettivo è di circa 72 gradi (il valore del seno è 0.95), moltiplicato per l'indice di rifrazione dell'olio di cedro 1.52, si può ottenere che il il valore massimo NA è di circa 1,45 e, sostituito nella formula di calcolo della risoluzione, si può ottenere che la risoluzione del piano XY limite di un microscopio convenzionale è di circa 0.2um.
Il valore NA influisce anche direttamente sulla luminosità del campo visivo del microscopio (B). Dalla formula B∝NA2/M2 si deduce che la luminosità aumenta con l'aumentare dell'apertura numerica (NA) o con la diminuzione dell'ingrandimento della lente dell'obiettivo (M).
Teoricamente, dovremmo perseguire il valore NA più alto possibile per ottenere una migliore risoluzione del piano XY e luminosità del campo visivo. Tuttavia, tutto ha due lati. Il miglioramento della risoluzione del piano XY ridurrà la profondità di campo dell'asse Z e il campo visivo di osservazione.
I microscopi generalmente visualizzano la vista verticalmente verso il basso. Quando la posizione convessa e la posizione concava sulla superficie dell'oggetto osservato all'interno del diametro del campo visivo possono essere viste chiaramente, allora la differenza di altezza tra il punto convesso e il punto concavo è la profondità di campo. Ebbene, per i microscopi, maggiore è la profondità di campo, meglio è. Maggiore è la profondità di campo, migliori e più chiare immagini tridimensionali possono essere ottenute quando si osserva la superficie di oggetti irregolari. La grande profondità di campo ci aiuta a osservare il mondo microscopico in direzione verticale. Ovvero, le informazioni sull'asse Z nella forma tridimensionale XYZ.
La profondità di campo è la profondità dello spazio anteriore e posteriore corrispondente all'immagine nitida sul piano dell'immagine: dtot=(λ*n)/NA più n/(M∗NA) * e, dtot: profondità di campo , NA: apertura numerica, M: ingrandimento totale, λ: lunghezza d'onda della luce, (solitamente λ=0.55um), n: indice di rifrazione del mezzo tra il campione e la lente dell'obiettivo (aria: n{{3 }}, olio: n=1.52) Secondo questa formula, possiamo sapere che la profondità di campo dell'asse Z è inversamente proporzionale al valore NA del piano XY.
Oltre alla profondità di campo, anche il campo visivo è influenzato dal valore NA. L'intervallo spaziale che può essere visto quando lo strumento guarda fisso un punto è il campo visivo. Il suo calcolo è direttamente correlato all'ingrandimento della lente dell'obiettivo. Il diametro effettivo del campo visivo visto dall'osservazione è uguale al diametro del campo visivo Diviso per l'ingrandimento della lente dell'obiettivo, l'oculare indicherà il campo visivo corrispondente, ad esempio 10/18, cioè il l'ingrandimento è di 10 volte e il diametro del campo visivo è di 18 mm. Pertanto, quando viene determinato l'oculare, maggiore è l'ingrandimento, minore è il campo visivo osservato.
La risoluzione del piano XY è l'analisi dei dettagli locali e il campo visivo determina il nostro raggio di osservazione del campione. Più grande è il campo visivo, meglio, ma limitato dalla tecnologia attuale, dobbiamo usare obiettivi ad alta potenza per ottenere buoni valori NA, quindi, campo visivo e valori NA hanno una correlazione negativa indiretta.
