§ 6.6. Микроскоп

Кажущаяся величина предмета определяется величиной его изображения на сетчатке. В случае невооруженного глаза кажущийся размер зависит от угла, под которым предмет виден. Для нормального глаза наименьшее расстояние - отчетливого зрения, как указывалось в § 6.1, примерно равно 25 см. Это

расстояние наиболее удобно для рассматривания деталей предмета. Если перед глазом поместить собирательную линзу, то рассматриваемый предмет можно значительно приблизить к глазу. И хотя такая линза образует мнимое увеличенное изображение на расстоянии, превышающем расстояние до предмета (рис. 6.26), рассматривать его удобнее, чем сам предмет.

Увеличение приборов, служащих для рассматривания близких предметов, определяется как отношение углового размера изображения, находящегося на расстоянии паилучшего зрения (обычно 25 см) к угловому размеру предмета, отнесенного на то же расстояние. Это эквивалентно определению обычного линейного увеличения М в том случае, когда изображение находится на расстоянии наилучшего зрения от выходного зрачка прибора. Для простой линзы (см. рис. 6.26) имеем

где см — расстояние наилучшего зрения. Согласно (4.4.31)

так что

в последнем выражении фокусное расстояние измеряется в сантиметрах. Так как обычно мало но сравнению с 25 см, увеличение можно записать как

На практике различные типы луп, например простая двояковыпуклая линза и ахроматический дублет, очень часто используются в карманных лупах или в лупе часовщика.

Рис. 6.26. Лупа.

Рис. 6.27. Схема, иллюстрирующая принцип устройства микроскопа.

Часто встречается система из двух раздельных плоско-выпуклых линз, сходная с окуляром Рамсдена (см. рис. 6.13, б). Очевидно что при большом поле зрения и большом увеличении расстояние между предметом и глазом становится недопустимо малым. По этой причине Галилей предложил около 1610 г. конструкцию микроскопа, оптическая система которого состояла из короткофокусного объектива и окуляра-лупы. В такой системе увеличение осуществляется в две ступени (рис. 6.27).

Объектив микроскопа образует увеличение изображения предмета в плоскости, удобной для рассматривания через окуляр. Увеличение объектива равно , где и рабочие расстояния объектива, удовлетворяющие соотношению (2). Если — фокусное расстояние окуляра, измеренное в сантиметрах, то его увеличение, согласно (4), равняется . Следовательно,

увеличение всей системы равно

Отрицательная величина М указывает на то, что изображение получается перевернутым. Увеличения объектива и окуляра обычно даются в описании микроскопа отдельно.

Другая величина, представляющая интерес при описании микроскопического объектива, — это его числовая апертура . Она была определена в как произведение где — половина угловой апертуры в пространстве предмета (т. е. половина угла при вершине конуса лучей, исходящих из осевой точки предмета и попадающих на объектив), показатель преломления среды в пространстве предмета. Эта величина служит мерой не только светосилы объектива, но, как будет показано в и его разрешающей способности, т. е. предельной четкости деталей, которую он дает. Здесь мы расскажем о способах получения наивыстей числовой апертуры.

Объективы микроскопа, вообще говоря, должны быть хорошо исправлены на сферическую и хроматическую аберрации, а также на кому, так как они предназначены для работы с предельно большими апертурами. Для объектива с небольшим увеличением можно воспользоваться системой из двух отдельных склеенных ахроматических лннз (рис. 6.28, а), исправленной на сферическую аберрацию и кому. Однако такая комбинация лииз не годится для объективов с большим увеличением ( и больше). В этом случае применяются другие системы лииз, в которых используется существование на сферических поверхностях апланатнческих точек (см. п. 4.2.3).

Рис 6.28 Объективы микроскопов. а — малое увеличение, — среднее увеличение; в — большое увеличение.

Рис. 6.29. Уменьшение углового расхождения лучей в микроскопе.

Это осуществляется следующим образом. Предмет помещается в точке Р вблизи плоско-выпуклой линзы (рис. 6.29, а). Пространство между предметом и линзой заполняется маслом с показателем преломления очень близким к показателю преломления линзы. Если С — центр кривизны исправленной поверхности линзы, а — ее радиус кривизны, то мнимое изображение точки Р, отстоящей от С на расстоянии находится на расстоянии от С и обе эти точки связаны условием апланатизма. Таким путем достигается большая числовая апертура и в системе уменьшается расхождение лучей, исходящих из Р, без внесения монохроматических аберраций. Однако при этом возникает хроматическая аберрация и ее следует скомпенсировать остальной частью оптической системы.

Можно еще уменьшить расхождение лучейдополнительным положительным мениском (рис. 6.29, б). Центр кривизны передней поверхности мениска находится в точке а радиус его задней поверхности выбирается так, чтбы Р была апланатической точкой этой поверхности. Лучи, преломленные на задней поверхности мениска, образуют мнимое изображение в другой апланатической точке

Добавление других менисков дает последовательный ряд мнимых изображений лежащих все дальше и дальше от Р. Таким образом, угловое расхождение лучей становится все меньше и меньше. Однако редко применяют больше двух линз, так как нельзя полностью скомпенсировать вносимую ими хроматическую аберрацию.

Описанные выше иммерсионные объективы позволяют работать с более широким конусом лучей, чем сухие объективы такого же диаметра. В случае сухих объективов лучи, выходящие из покровного стекла, защищающего рассматриваемый предмет, попадают в воздух и, преломляясь, отклоняются наружу. Следовательно, расхождение лучей увеличивается. При использовании же объективов с масляной иммерсией лучи, выходящие из покровного стекла, не преломляются. Наибольшую числовую апертуру можно получить только у таких объективов.

Рис. 6.30. Зеркальный объектив микроскопа Бурха.

Значительно большие требования предъявляются к объективам микроскопа, предназначенным для работы в ближней ультрафиолетовой видимой и близкой инфракрасной областях спектра. Так, например, если микроскоп должен использоваться в сочетании со спектрографом и фотометром, необходима высокая степень ахроматизации.

Расчетом ахроматических объективов к микроскопам впервые систематически занялся Бурх [29), взявший за основу аналитическое решение Шварцшильда для двухзеркальной апланатической системы, о которой упоминалось в § 4.10. Бурх нашел, что если числовая апертура превышает 0,5, то по крайней мере одно из зеркал должно быть асферическим. Тем не менее в зеркальных системах невозможно осуществить такие же большие числовые апертуры, как в хороших иммерсионных объективах. Типичный ахроматический объектив Бурха показан схематически на рис. 6.30. Не считая ахроматичности, его основное достоинство заключается в большом рабочем расстоянии, т. е. расстоянии между предметом и ближайшей поверхностью объектива. Оно может быть столь же большим, как и фокусное расстояние объектива. Недостатком такой системы является присутствие второго зеркала, загораживающего часть света. В системах с малой числовой апертурой, использующих сферические поверхности, такое «загораживание» может превышать 45%.

Рассматривались также и зеркально-линзовые объективы микроскопов. Так, была предложена система, в которой отражения происходят внутри стекла на концентрических сферических покрытых серебром поверхностях [30]. Серебро на второй поверхности нанесено так, что «загораживание» уменьшено до 20%. Двухзеркальный объектив с относительно малым «загораживанием» описан Грейем 1311. Он применил кварцевые и флуоритовые компоненты с большой кривизной, которые при условии обеспечения необходимой «цветовой»

коррекции в ультрафиолетовых и видимых областях спектра вполне заменяют поверхности сложной формы, Необходимые при работе с зеркалами.

Обычно предметы, исследуемые под микроскопом, сами не светятся и, следовательно, нуждаются в постороннем освещении. Во многих случаях рассматриваемые предметы представляют собой тонкий срез прозрачного вещества и наблюдаются в проходящем свете. В системах с небольшой числовой апертурой (Ч. А. до 0,25) вполне достаточно рассеянного дневного света, отраженного под углом от вогнутого зеркала. В других случаях необходимо пользоваться искусственными источниками. Для большей концентрации света применяется вспомогательная система линз, или конденсор. Существует много различных способов освещения микроскопических объектов; два из них будут описаны в гл. 10.

В настоящем параграфе содержались только основные сведения о микроскопе. Полное обсуждение вопросов, связанных с формированием изображения в микроскопе, нуждается в более тонких методах (см. п. 8.6.3 и §§ 9.5 и 10.5),

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)