Характеристики микрофотографических систем

Микроскоп – это оптическая система с двумя ступенями увеличения. Первой ступенью является объектив, который формирует действительное изображение; второй – окуляр, увеличивающий сформированное объективом изображение. Окуляр представляет собой оптический прибор – «лупу», дающий мнимое изображение объекта. Преобразуя оптическую систему микроскопа таким образом, чтобы она формировала действительное изображение, получаем микрофотографическую систему.

Качество изображения, получаемого в микрофотографической системе, степень ее совершенства определяют общее увеличение, разрешающая способность, глубина резкости, являющиеся важнейшими характеристиками микрофотографических систем.

Общее увеличение определяет масштаб получаемого изображения, выражаемый отношением линейных размеров изображения и объекта. Линейное увеличение объектива находят из соотношения оптической длины тубуса микроскопа и фокусного расстояния объектива:

,

где Δ – оптическая длина тубуса микроскопа (расстояние между передним фокусом окуляра и задним фокусом объектива);

f_об – фокусное расстояние объектива.

Оптическая длина тубуса зависит от величины фокусного расстояния объективов. При использовании короткофокусных и длиннофокусных объективов расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра изменяется (увеличивается или уменьшается). Поэтому при расчете линейного увеличения используют не оптический интервал, а механическую длину тубуса, т. е. расстояние от объектива до выходного зрачка окуляра. Так, при механической длине тубуса микроскопа 160 мм увеличение объектива составит величину, равную:

.

При конструировании микроскопов выбирают строго определенный размер механического тубуса, т. е. расстояние между нижней частью, где кончается объектив, и верхней, на которую устанавливают окуляр. Тубус может иметь длину от 160 до 180 мм.

Окуляр увеличивает детали изображения, сформированного объективом. Через окуляр изображение деталей видят в плоскости, отстоящей на расстоянии 250 мм (расстояние наилучшего видения) от глаза наблюдателя, а угловое увеличение окуляра находят из выражения:

.

Общее увеличение микроскопа определяется как произведение линейного увеличения объектива на угловое увеличение окуляра:

.

Разрешающая способность характеризует способность системы раздельно воспроизводить близко расположенные детали объекта. Она выражается наименьшим расстоянием между двумя элементами изображения, которые оптическая система микроскопа передает раздельно.

Глаз человека, как естественный оптический прибор, имеет определенную разрешающую способность. С расстояния наилучшего видения (250 мм) у человека с нормальным зрением она составляет порядка 0,1-0,2 мм. Две детали, отстоящие друг от друга на расстоянии 0,1 мм, в данном случае образуют со зрачком глаза угол, равный 1°. Разрешающую способность зрения повышают, сокращая расстояние до объекта и, соответственно, увеличивая угол зрения. Для этой цели используют различные оптические приборы, в том числе оптическую систему микроскопа.

Разрешающую способность микроскопа ограничивает волновая природа света – при больших увеличениях в системе возникают дифракционные явления, и различаемость деталей падает. Максимальное разрешение у обычных микроскопов составляет половину световой волны (λ/2). Если длина волны фиолетового излучения составляет 400 нм, то минимальное расстояние между двумя различаемыми деталями составит 200 нм, или 0,0002 мм. Поскольку глаз человека различает две соседние точки с интервалом в 0,2 мм, то полезное увеличение светового микроскопа в этом случае составит: 0,2:0,0002=1000^х. При съемке в отраженных ультрафиолетовых лучах с λ=200 нм разрешающую способность данного прибора можно увеличить в два раза. Современные просвечивающие электронные микроскопы достигают разрешения порядка 1,4-2 Å, у растровых оно значительно ниже, порядка 70-200 Å.

Разрешающая способность световых микроскопов зависит и от апертуры объектива.

Угловую апертуру объектива представляет угол, вершина которого находится на оптической оси объектива и совмещена с поверхностью исследуемого объекта, а основанием служит диаметр отверстия передней его линзы. От апертуры зависит освещенность изображения. Чем она больше, тем больше света попадает в объектив.

Угловая апертура, как и светосила объектива, зависит от показателя преломления среды (между передней линзой и объектом), в которой он работает. Светосилу объектива определяет численная апертура (А):

,

где n – показатель преломления среды; α – апертурный угол.

С учетом апертуры объектива предельная разрешающая способность светового микроскопа составляет величину, равную:

,

где d – разрешающая способность микроскопа;

λ – длина волны света;

А – численная апертура объектива. Апертура объектива должна соответствовать апертуре конденсора.

Глубина резкости изображения (Р) при микросъемке ничтожно мала. Она составляет тысячные доли миллиметра. При визуальном наблюдении ничтожность глубины резкости в микроскопе не представляет особых проблем, поскольку за счет аккомодации глаз человека фокусирует зрение на различных по глубине участках.

Глубина резкости, получаемая при микросъемке, не совпадает с наблюдаемой в окуляре микроскопа. При микросъемке изображение должно точно совпадать с плоскостью расположения фотоматериала. Если же глубина объекта превышает глубину резкости, то отдельные его части на фотоснимке будут нерезкими.

Глубина резкости микрообъективов определяется их собственным увеличением и действующим отверстием (апертурой). С уменьшением собственного увеличения и уменьшением апертуры она возрастает. Поэтому при микросъемке используют объективы с меньшей апертурой, компенсируя недостаток увеличения применением более сильных окуляров, растяжением меха камеры или увеличением при печати. С уменьшением апертуры снижается освещенность изображения, а также разрешающая способность микрофотографической системы. Это необходимо учитывать в работе, подбирая при съемке оптимальное соотношение значений глубины резкости и разрешающей способности.