Introduzione ai principali campi di applicazione del microscopio ottico
Il microscopio ottico è uno strumento scientifico antico e giovane. Ha una storia di 300 anni dalla sua nascita. Il microscopio ottico ha una vasta gamma di usi. Ad esempio, in biologia, chimica, fisica, astronomia, ecc., in alcuni lavori di ricerca scientifica è inseparabile dal microscopio.
In base ai diversi scopi applicativi, i microscopi possono essere grossolanamente classificati in quattro categorie: microscopi biologici, microscopi metallografici, stereomicroscopi e microscopi polarizzatori. Come suggerisce il nome, i microscopi biologici vengono utilizzati principalmente in biomedicina e gli oggetti di osservazione sono per lo più microrganismi trasparenti o traslucidi; i microscopi metallografici vengono utilizzati principalmente per osservare la superficie di oggetti opachi, come la struttura metallografica e i difetti superficiali dei materiali; mentre i microscopi stereoscopici ingrandiscono i microoggetti, creano anche oggetti e immagini nella stessa direzione rispetto all'occhio umano e hanno un senso di profondità, che è in linea con le abitudini visive convenzionali delle persone; I microscopi polarizzatori utilizzano le caratteristiche di trasmissione o riflessione di diversi materiali per la luce polarizzata per distinguere i diversi componenti dei microoggetti. Inoltre è possibile suddividere anche alcune tipologie speciali. Ad esempio, un microscopio biologico invertito o un microscopio per coltura è un microscopio biologico utilizzato principalmente per osservare la coltura attraverso il fondo di un recipiente di coltura; un microscopio a fluorescenza sfrutta le caratteristiche di alcune sostanze per assorbire la luce con una specifica lunghezza d'onda più corta ed emettere luce con una specifica lunghezza d'onda più lunga per scoprire l'esistenza di queste sostanze e determinarne il contenuto; un microscopio comparativo può formare immagini giustapposte o sovrapposte di due oggetti nello stesso campo visivo per confrontare le somiglianze e le differenze tra i due oggetti.
I microscopi ottici tradizionali sono composti principalmente da sistemi ottici e dalle relative strutture meccaniche di supporto. I sistemi ottici comprendono obiettivi, oculari e lenti condensatrici, che sono tutte lenti d'ingrandimento complicate costituite da vari vetri ottici. La lente dell'obiettivo ingrandisce il campione e il suo ingrandimento Mobject è determinato dalla seguente formula: Mobject =Δ∕f'object, dove f'object è la lunghezza focale della lente dell'obiettivo e Δ può essere inteso come la distanza tra la lente dell'obiettivo e l'oculare. L'oculare ingrandisce nuovamente l'immagine formata dalla lente dell'obiettivo, formando un'immagine virtuale a 250 mm davanti all'occhio umano per l'osservazione. Questa è la posizione di osservazione più comoda per la maggior parte delle persone. L'ingrandimento dell'oculare M=250/f' occhio, dove f' è la lunghezza focale dell'oculare. L'ingrandimento totale del microscopio è il prodotto della lente dell'obiettivo e dell'oculare, cioè M=M oggetto*M occhio=Δ*250/f' occhio *f; oggetto. Si può vedere che riducendo la lunghezza focale della lente dell'obiettivo e dell'oculare si aumenterà l'ingrandimento totale, che è la chiave per vedere batteri e altri microrganismi con un microscopio, ed è anche la differenza tra questo e le normali lenti d'ingrandimento.
Quindi, è concepibile ridurre la mesh f' oggetto f' senza limiti, in modo da aumentare l'ingrandimento, in modo da poter vedere oggetti più sottili? La risposta è no! Questo perché la luce utilizzata per l'imaging è essenzialmente una sorta di onda elettromagnetica, quindi durante il processo di propagazione si verificheranno inevitabilmente fenomeni di diffrazione e interferenza, proprio come le increspature sulla superficie dell'acqua che si vedono nella vita quotidiana possono aggirarsi quando si incontrano ostacoli e due colonne di onde d'acqua possono rafforzarsi o indebolirsi a vicenda quando si incontrano. Quando l'onda luminosa emessa da un oggetto luminoso puntiforme entra nella lente dell'obiettivo, la cornice della lente dell'obiettivo ostacola la propagazione della luce, provocando diffrazione e interferenza. Dopo aver attraversato la lente dell'obiettivo, non può più raccogliersi in un punto, ma forma un punto luminoso di una certa dimensione, e alla periferia si trova una serie di anelli luminosi con intensità debole e gradualmente indebolita. Chiamiamo il punto luminoso centrale disco di Airy. Quando due punti di emissione luminosa sono vicini ad una certa distanza, i due punti luminosi si sovrapporranno finché non potranno essere riconosciuti come due punti luminosi. Rayleigh propose uno standard di giudizio, ritenendo che quando la distanza tra i centri dei due punti luminosi è pari al raggio del disco di Airy, i due punti luminosi possono essere distinti. Dopo il calcolo, la distanza tra i due punti che emettono luce in questo momento è e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA Nella formula, In è la lunghezza d'onda dell'onda luminosa, e la lunghezza d'onda dell'onda luminosa che può essere ricevuta dall'occhio umano è circa 0.4-0.7um, e n è l'indice di rifrazione del mezzo in cui si trova il punto di emissione della luce. Ad esempio, in aria, n≈1, in acqua, n≈1,33, e A è la metà dell'angolo di apertura del punto luminescente rispetto alla cornice della lente dell'obiettivo, e NA è chiamata l'apertura numerica della lente dell'obiettivo. Dalla formula sopra si può vedere che la distanza tra due punti che la lente dell'obiettivo può distinguere è limitata dalla lunghezza d'onda della luce e dall'apertura numerica. Poiché la lunghezza d'onda dell'occhio umano più sensibile è di circa 0,5um e l'angolo A non può superare i 90 gradi, sinA è sempre inferiore a 1. L'indice di rifrazione massimo della luce trasmessa disponibile il mezzo è circa 1,5, quindi il valore di e è sempre maggiore di 0,2um, che è la distanza limite minima che può essere risolta da un microscopio ottico. Ingrandire l'immagine al microscopio. Se si desidera ingrandire la distanza del punto dell'oggetto e che può essere risolta dalla lente dell'obiettivo con un certo valore NA sufficiente per essere risolta dall'occhio umano, è necessario Me Maggiore di o uguale a 0.15mm, dove { {29}}.15mm è la distanza minima tra due microoggetti che possono essere distinti dall'occhio umano a 250mm davanti ai tuoi occhi, quindi M Maggiore o uguale a (0.15∕0.61)NA ≈500N.D. È sufficiente raddoppiare l'ingrandimento, cioè 500N.A Inferiore o uguale a M Inferiore o uguale a 1000N.A, che è un intervallo di selezione ragionevole dell'ingrandimento totale del microscopio. Non importa quanto grande sia l'ingrandimento totale, non ha significato, perché l'apertura numerica dell'obiettivo ha limitato la distanza minima risolvibile ed è impossibile distinguere i dettagli più piccoli dell'oggetto aumentando l'ingrandimento.
Il contrasto dell'immagine è un altro problema chiave nei microscopi ottici. Il cosiddetto contrasto si riferisce al contrasto in bianco e nero o alla differenza di colore tra parti adiacenti sulla superficie dell'immagine. È difficile per l'occhio umano giudicare la differenza di luminosità inferiore a 0.02, ma è leggermente più sensibile alla differenza di colore. Alcuni oggetti del microscopio, come i campioni biologici, presentano una differenza di luminosità molto ridotta tra i dettagli e gli errori di progettazione e produzione del sistema ottico del microscopio riducono ulteriormente il contrasto dell'immagine e rendono difficile la distinzione. In questo momento, i dettagli dell'oggetto non possono essere visti chiaramente.
Nel corso degli anni, le persone hanno lavorato duramente per migliorare la risoluzione e il contrasto dell'immagine del microscopio. Con il continuo progresso della tecnologia e degli strumenti informatici, anche la teoria e i metodi di progettazione ottica sono stati continuamente migliorati. Insieme al miglioramento delle prestazioni delle materie prime, al miglioramento continuo della tecnologia e dei metodi di rilevamento e all'innovazione dei metodi di osservazione, la qualità dell'immagine del microscopio ottico si è avvicinata alla perfezione del limite di diffrazione. Le persone utilizzeranno la colorazione del campione, il campo scuro, il contrasto di fase, la fluorescenza, l'interferenza e la luce polarizzata. Gli strumenti per l'imaging si sono succeduti e hanno prestazioni superiori sotto alcuni aspetti, ma non possono ancora competere con i microscopi ottici in termini di economicità, comodità, intuizione e particolarmente adatti alla ricerca sugli organismi viventi. I microscopi ottici occupano ancora saldamente le loro posizioni. D'altra parte, combinato con il laser, il computer, la tecnologia dei nuovi materiali e la tecnologia dell'informazione, l'antico microscopio ottico sta ringiovanendo e mostrando una vigorosa vitalità. Microscopi digitali, microscopi a scansione confocale laser, microscopi a scansione in campo vicino, microscopi a due fotoni e strumenti con diverse nuove funzioni o che possono adattarsi a diverse nuove condizioni ambientali emergono in un flusso infinito, che amplia ulteriormente il campo di applicazione dei microscopi ottici, come esempi. Quanto sono emozionanti le immagini microscopiche delle formazioni rocciose caricate dai rover su Marte! Possiamo pienamente credere che il microscopio ottico porterà benefici all'umanità con un atteggiamento aggiornato.
