Einführung in die Hauptanwendungsgebiete optischer Mikroskope
Das optische Mikroskop ist ein altes und junges wissenschaftliches Werkzeug. Seit seiner Gründung blickt es auf eine 300-jährige Geschichte zurück. Das optische Mikroskop hat vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Beispielsweise ist es in der Biologie, Chemie, Physik, Astronomie usw. bei manchen wissenschaftlichen Forschungsarbeiten untrennbar mit dem Mikroskop verbunden.
Je nach Anwendungszweck lassen sich Mikroskope grob in vier Kategorien einteilen: biologische Mikroskope, metallografische Mikroskope, Stereomikroskope und Polarisationsmikroskope. Wie der Name schon sagt, werden biologische Mikroskope hauptsächlich in der Biomedizin eingesetzt und die Beobachtungsobjekte sind meist transparente oder durchscheinende Mikrokörper; Metallografische Mikroskope werden hauptsächlich zur Beobachtung der Oberfläche undurchsichtiger Objekte verwendet, beispielsweise der metallografischen Struktur und Oberflächenfehler von Materialien. Während stereoskopische Mikroskope Mikroobjekte vergrößern, erzeugen sie Objekte und Bilder auch in der gleichen Richtung relativ zum menschlichen Auge und verfügen über ein Tiefengefühl, das den herkömmlichen Sehgewohnheiten der Menschen entspricht. Polarisationsmikroskope nutzen die Transmissions- oder Reflexionseigenschaften verschiedener Materialien für polarisiertes Licht, um verschiedene Mikroobjektkomponenten zu unterscheiden. Darüber hinaus können auch einige Sondertypen unterteilt werden. Beispielsweise ist ein inverses biologisches Mikroskop oder ein Kulturmikroskop ein biologisches Mikroskop, das hauptsächlich zur Beobachtung einer Kultur durch den Boden eines Kulturgefäßes verwendet wird; Ein Fluoreszenzmikroskop nutzt die Eigenschaften bestimmter Substanzen, um Licht mit einer bestimmten kürzeren Wellenlänge zu absorbieren und Licht mit einer bestimmten längeren Wellenlänge zu emittieren, um die Existenz dieser Substanzen zu entdecken und ihren Gehalt zu bestimmen. Ein Vergleichsmikroskop kann nebeneinander liegende oder überlagerte Bilder von zwei Objekten im gleichen Sichtfeld erstellen, um die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den beiden Objekten zu vergleichen.
Herkömmliche optische Mikroskope bestehen hauptsächlich aus optischen Systemen und ihren tragenden mechanischen Strukturen. Zu den optischen Systemen gehören Objektive, Okulare und Kondensorlinsen, bei denen es sich allesamt um komplizierte Lupen aus verschiedenen optischen Gläsern handelt. Die Objektivlinse vergrößert die Probe und ihre Vergrößerung Mobject wird durch die folgende Formel bestimmt: Mobject =Δ∕f'object, wobei f'object die Brennweite der Objektivlinse ist und Δ als Abstand verstanden werden kann zwischen Objektiv und Okular. Das Okular vergrößert das von der Objektivlinse erzeugte Bild erneut und erzeugt ein virtuelles Bild bei 250 mm vor dem menschlichen Auge zur Beobachtung. Dies ist für die meisten Menschen die bequemste Beobachtungsposition. Die Vergrößerung des Okulars M=250/f' Auge, wobei f' die Brennweite des Okulars ist. Die Gesamtvergrößerung des Mikroskops ist das Produkt aus Objektiv und Okular, also M=M Objekt*M Auge=Δ*250/f' Auge *f; Objekt. Es ist ersichtlich, dass eine Verringerung der Brennweite des Objektivs und des Okulars die Gesamtvergrößerung erhöht, was der Schlüssel zum Erkennen von Bakterien und anderen Mikroorganismen mit einem Mikroskop ist und auch den Unterschied zu gewöhnlichen Lupen ausmacht.
Ist es also denkbar, das f'-Objekt-f'-Netz unbegrenzt zu verkleinern, um die Vergrößerung zu erhöhen, sodass wir subtilere Objekte sehen können? Die Antwort ist nein! Dies liegt daran, dass das für die Bildgebung verwendete Licht im Wesentlichen eine Art elektromagnetische Welle ist, sodass während des Ausbreitungsprozesses zwangsläufig Beugungs- und Interferenzphänomene auftreten, genau wie die Wellen auf der Wasseroberfläche, die im täglichen Leben zu sehen sind, beim Auftreffen auf Hindernisse umherlaufen können , und zwei Säulen von Wasserwellen können sich gegenseitig verstärken oder schwächen, wenn sie aufeinander treffen. Wenn die von einem punktförmigen leuchtenden Objekt emittierte Lichtwelle in die Objektivlinse eintritt, behindert der Rahmen der Objektivlinse die Lichtausbreitung, was zu Beugung und Interferenz führt. Nach dem Durchgang durch die Objektivlinse kann es sich nicht mehr an einem Punkt sammeln, sondern bildet einen Lichtfleck mit einer bestimmten Größe, und an der Peripherie befindet sich eine Reihe von Lichtringen mit schwacher und allmählich schwächer werdender Intensität. Wir nennen den zentralen hellen Fleck eine Airy-Scheibe. Wenn zwei Licht emittierende Punkte nahe bei einem bestimmten Abstand liegen, überlappen sich die beiden Lichtpunkte, bis sie nicht mehr als zwei Lichtpunkte erkannt werden können. Rayleigh schlug einen Beurteilungsstandard vor und ging davon aus, dass die beiden Lichtflecken unterschieden werden können, wenn der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Lichtflecken gleich dem Radius der Airy-Scheibe ist. Nach der Berechnung beträgt der Abstand zwischen den beiden Lichtemissionspunkten zu diesem Zeitpunkt e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA In der Formel ist In die Wellenlänge der Lichtwelle. und die Wellenlänge der Lichtwelle, die vom menschlichen Auge empfangen werden kann, beträgt etwa 0.4-0,7 um, und n ist der Brechungsindex des Mediums, in dem sich der lichtemittierende Punkt befindet. Beispielsweise gilt in Luft n≈1, in Wasser n≈1,33 und A ist der halbe Öffnungswinkel des Leuchtpunkts zum Rahmen der Objektivlinse, und NA wird als numerische Apertur der Objektivlinse bezeichnet. Aus der obigen Formel ist ersichtlich, dass der Abstand zwischen zwei Punkten, den das Objektiv unterscheiden kann, durch die Wellenlänge des Lichts und die numerische Apertur begrenzt ist. Da die Wellenlänge des empfindlichsten menschlichen Auges etwa 0,5 um beträgt und der Winkel A 90 Grad nicht überschreiten kann, ist sinA immer kleiner als 1. Der maximale Brechungsindex der verfügbaren Lichtdurchlässigkeit Die Größe des Mediums beträgt etwa 1,5, daher ist der Wert von e immer größer als 0,2 um, was dem minimalen Grenzabstand entspricht, der mit einem optischen Mikroskop aufgelöst werden kann. Vergrößern Sie das Bild durch ein Mikroskop. Wenn Sie den Objektpunktabstand e vergrößern möchten, der von der Objektivlinse mit einem bestimmten NA-Wert aufgelöst werden kann, der ausreicht, um vom menschlichen Auge aufgelöst zu werden, müssen Sie Me größer oder gleich 0,15 mm sein, wobei { {29}}.15 mm ist der Mindestabstand zwischen zwei Mikroobjekten, der vom menschlichen Auge in 25 0 mm Entfernung vor Ihren Augen unterschieden werden kann, also M Größer als oder gleich (0,15∕0,61)NA ≈500 N.A. Es reicht aus, die Vergrößerung zu verdoppeln, also 500 N.A. Kleiner oder gleich M. Weniger als oder gleich 1000 N.A. Dies ist ein angemessener Auswahlbereich für die Gesamtvergrößerung des Mikroskops. Egal wie groß die Gesamtvergrößerung ist, sie ist bedeutungslos, da die numerische Apertur des Objektivs die minimal auflösbare Entfernung begrenzt hat und es unmöglich ist, kleinere Objektdetails durch Erhöhen der Vergrößerung zu erkennen.
Der Abbildungskontrast ist ein weiteres zentrales Thema bei optischen Mikroskopen. Der sogenannte Kontrast bezeichnet den Schwarz-Weiß-Kontrast bzw. Farbunterschied zwischen benachbarten Teilen auf der Bildoberfläche. Für das menschliche Auge ist es schwierig, den Helligkeitsunterschied unter 0.02 zu beurteilen, es reagiert jedoch etwas empfindlicher auf den Farbunterschied. Bei einigen Mikroskopobjekten, beispielsweise biologischen Proben, sind die Helligkeitsunterschiede zwischen den Details sehr gering, und Konstruktions- und Herstellungsfehler des optischen Systems des Mikroskops verringern den Abbildungskontrast weiter und erschweren die Unterscheidung. Zu diesem Zeitpunkt sind die Details des Objekts nicht klar zu erkennen.
Im Laufe der Jahre wurde hart daran gearbeitet, die Auflösung und den Bildkontrast des Mikroskops zu verbessern. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Computertechnologie und -werkzeuge wurden auch die Theorie und Methoden des optischen Designs kontinuierlich verbessert. In Verbindung mit der Verbesserung der Rohstoffleistung, der kontinuierlichen Verbesserung der Technologie und Nachweismethoden sowie der Innovation der Beobachtungsmethoden hat sich die Abbildungsqualität des optischen Mikroskops der Perfektion der Beugungsgrenze angenähert. Menschen werden Probenfärbung, Dunkelfeld, Phasenkontrast, Fluoreszenz, Interferenz und polarisiertes Licht verwenden. Bildgebende Instrumente sind nach und nach auf den Markt gekommen und weisen in einigen Aspekten eine überlegene Leistung auf, können jedoch in puncto Kostengünstigkeit, Zweckmäßigkeit, Intuition und insbesondere Eignung für die Forschung an lebenden Organismen immer noch nicht mit optischen Mikroskopen mithalten. Optische Mikroskope nehmen immer noch ihre eigene Stellung ein. Andererseits verjüngt sich das alte optische Mikroskop in Kombination mit Laser, Computer, neuer Materialtechnologie und Informationstechnologie und zeigt eine kraftvolle Vitalität. In einem endlosen Strom entstehen digitale Mikroskope, konfokale Laser-Scanning-Mikroskope, Nahfeld-Scanning-Mikroskope, Zwei-Photonen-Mikroskope und Instrumente mit verschiedenen neuen Funktionen oder die sich an verschiedene neue Umgebungsbedingungen anpassen können, was den Anwendungsbereich optischer Mikroskope weiter erweitert Beispiele. Wie aufregend sind die mikroskopischen Bilder von Felsformationen, die von den Mars-Rovern hochgeladen wurden! Wir können fest davon überzeugt sein, dass das optische Mikroskop der Menschheit mit einer aktualisierten Einstellung zugute kommen wird.
