Физика оптической микроскопии

Микроскоп - сложная  оптическая  система  с  двумя   ступенями  увеличения. Предназначен  для  наблюдения  в  увеличенном  виде  близкорасположенных  предметов.

  • Первая  ступень - ОБЪЕКТИВ - центрическая  система  из  4-10  линз,  предназначенная  для  непосредственного  рассмотрения  объекта  и  формирования  промежуточного  изображения.
  • Вторая  ступень - ОКУЛЯР - система  из  2-5  линз, предназначенная  для  рассмотрения  промежуточного  изображения.

Центрическая  система - система  линз, оптические  центры  которых  находятся  в  одной  плоскости.

         Для  построения  изображения  в  микроскопе  необходимо:

  1. 1.     объектив  и  окуляр  изобразить  в  виде  тонких  собирающих  линз;
  2. 2.     выбрать  два  луча: первый - через  оптический  центр  линзы,  второй - параллельно  главной  оптической  оси;
  3. 3.     расположить  предмет  перед  главным  фокусом  объектива;
  4. 4.     построить  промежуточное  изображение - оно  должно  получится  за  двойным  фокусом  объектива, а  также  увеличенным,  действительным  и  обратным (перевернутым  вверх  ногами).  Промежуточное  изображение  должно  располагаться  на  расстоянии  большем, чем  фокусное  расстояние  окуляра;
  5. 5.     построить  окончательное  изображение,  формируемое  окуляром.  Оно  является  увеличенным, мнимым  и  прямым  по  отношению  к  промежуточному  изображению.  Окончательное  изображение  будет  находится  от  окуляра  на  расстоянии  наилучшего  зрения.

L - расстояние  наилучшего  зрения (25-30 см) - расстояние, на  котором  глаз  под  большим  углом  зрения  может  длительно  осуществлять  зрительную  работу.

         F1 и F2 - фокусные  расстояния  линз  1 и  2 соответственно.

 2. Основные  характеристики  микроскопа:

         1) Увеличение  микроскопа (ГМ) - безразмерная  величина,  равная  отношению  размера  окончательного  изображения  к  размеру  предмета.

 

I. ГМ  = Гобъектива * Гокуляра

Гобъектива =  l1/l2;    Гокуляра = l2/l1;

ГМ = (l1*l2)/(l*l1);

Гм  = l2/l. 

II. Гм = (Δ*L)/(f1*f2).

         Δ- длина  тубуса,

         L - расстояние  наилучшего  зрения,

         f1 и f2 - фокусы  объектива  и  окуляра.

         Увеличения  окуляра  и  объектива  гравируются  на   их  оправах.  У  обычных  биологических  микроскопов  объективы  дают  увеличение  8, 10, 20, 40  и  90;  окуляры  имеют  увеличение   5, 7, 10  и  20.  У  исследовательских  микроскопов  увеличение  окуляра  20,  объектива  - 100.

         2)  Числовая  апертура (A) - она  характеризует  светособирающую  и  разрешающую  способность микроскопа.  Апертура  равна  произведению  показателя  преломления  среды,  находящейся  между  предметом  и  объективом,  на  синус  апертурного  угла.

         Апертурный  угол (u)- это  тот  угол, под  которым  из  точки, находящейся   в главном  корпусе  объектива,  виден  радиус  передней  линзы  объектива.

 

A = n* sin u.

          n - коэффициент  преломления,

         A - числовая  апертура,

         u - апертурный  угол.

       Средой  между  предметом  и  объективом  могут  быть:

  • воздух(сухой  объектив) - n ≈ 1;
  • дистиллированная  вода - n = 1,33;
  • глицерин - n = 1,49;
  • кедровое  масло - n = 1,55.

Каждый  объектив  предназначен  для  конкретной  среды.  Апертурный  угол  для  воздушной  среды  составляет  0º- 40º,  для  иммерсионной - 1º-30º.  Апертура  объектива  гравируется  его  на  оправе  вместе  с  увеличением. Наименьшая  апертура - 0,2.  Наибольшая  1,3  у  иммерсионных  объективов  с  увеличением  100. 

         3) Разрешающая  способность( R ) - способность  оптической  системы  давать  раздельные  изображения  двух  предельно  близко  расположенных  точек  объекта  или  его  структур.  Разрешающая  способность  обратнопропорциональна  пределу  разрешения.

         Предел  разрешения (d) - минимальное  расстояние,  на  которое  две  структуры  видны  раздельно.

 

R = 1/d.

 

         Экспериментально  установлено, что  предел  разрешения  зависит  от  длины  волны  света (Λ - «лямбда»)  и  от  числовой  апертуры (А)  микроскопа:

 

d = Λ/2A => R = 2A/ Λ = (2*n*sin u)/ Λ.

 

         Следовательно, для  повышения  разрешающей  способности  микроскопа  надо  использовать  коротковолновые  излучения  и  объектив  с  большой  числовой  апертурой (иммерсионные  среды).

 

3. Оптическая  система  глаза. Светопроводящая  и  световоспринимающая  части  глаза.

         Глаз  состоит  из:

 

1)склеры - внешней  белковой  оболочки,

2)роговицы - n = 1,15; толщина ≈ 1 мм,

3)сосудистой  оболочки - препятствующей  рассеянию  света  в  глазу  и  служит  для  защиты  светочувствительных  элементов,

4)радужной  оболочки,

5)зрачка - круглого  отверстия  в  радужной  оболочке,  с  изменением  которого  изменяется  поток  проходящего  света;

6)хрусталика - природной  двояковыпуклой   линзы  с  коэффициентом  преломления  1,4. Кольцевая   мышца  охватывает  хрусталик  и  изменяет  кривизну  его  поверхности;

7)передней  камеры - камеры  со  студенистой  массой(n ≈ n ВОДЫ = 1,33);

8)зрительного  нерва;

9)сетчатки - состоит  из  нескольких  слоев  рецепторных  клеток;

10)стекловидного  тела - прозрачной  студенистой  массы, которая  занимает  объем  глаза  между  хрусталиком  и  сетчаткой;

11)желтого  пятна (место  выхода  зрительного  нерва  из  глаза).

 

         Функции  глаза: 

1. опорно-механическая;

2. светопреломляющая  и  светопередающая;

3. светорегулирующая  и 

4. световоспринимающая.

         Светопроводящая  часть  глаза  образуется  роговицей, хрусталиком,  жидкостью  передней  камеры  и  стекловидным  телом.  Главная  оптическая  ось  проходит  через  центры  роговицы, зрачка, хрусталика.  Глаз - центрированная  оптическая  система.

         Световоспринимающая  часть (или  рецепторный  аппарат) - это  сетчатка, в  которой  находятся  светочувствительные  зрительные  клетки. Направление  наибольшей  чувствительности  определяет  зрительная  ось. Она  проходит  через  центры  роговицы  и  желтого  пятна. В  направлении  этой  оси  глаз  имеет  наилучшую  разрешающую  способность.  Угол  между  оптической  и  зрительной  осями  составляет  5º.

         Оптическая  сила  глаза (D)- это  алгебраическая  сумма  сил  всех  основных  преломляющих  сред.

 

D = 1/F;  

[D]=[м -1 = дптр(«диоптрия»)].

 

         В  глазу    D РОГОВИЦЫ  равен  42-43 дптр;  D ХРУСТАЛИКА - до  33 дптр;     DСТЕКЛОВИДНОГО ТЕЛА - 5 - 6 дптр. Первые  две  среды  подобны  собирающим  линзам, последняя - рассеивающей.

         Для  построения  изображения  на  сетчатке  и  анализа  связанных  с  этим  явлений  пользуются  приведенным (редуцированным)  глазом. Здесь  рассматривается  однородная  сферическая  линза  с  коэффициентом   преломления (n)  равным  1,4  и  D В ПОКОЕ = 63  дптр, D ПРИ НАПРЯЖЕНИИ = 70 дптр.  Построение  изображения  делается  по  обычным  правилам.  Если  предмет  расположен  на  расстоянии  большем, чем  двойное  фокусное, то  оно  получается  действительным,  уменьшенным  и  обратным.

FГЛАЗА=16,6мм (16-17мм).

 

ПРЕДМЕТЫ

О НАС

«Dendrit» - портал для студентов медицинских ВУЗов, включающий в себя собрание актуальных учебных материалов (учебники, лекции, методические пособия, фотографии анатомических и гистологических препаратов), которые постоянно обновляются по ходу учебного процесса в ЯГМУ.