Aplicação do conceito de microscópio moderno na observação do mundo microscópico
Desde os tempos antigos até o presente, os seres humanos têm buscado verdades mais elevadas e mais distantes. De viagens oceânicas à exploração espacial, as pessoas têm conquistado grandes objetivos uma após a outra. No entanto, o mundo macroscópico que as pessoas veem a olho nu não é o mundo inteiro e o olho humano não pode vê-lo claramente. Também atrai inúmeras pessoas para explorar e perseguir.
Independentemente de coisas macroscópicas ou microscópicas, nossas observações são baseadas nos atributos do espaço tridimensional, ou seja, XYZ tridimensional, e a observação de mudanças na forma das coisas precisa introduzir outro fator de medição - o tempo T, então o A maneira mais completa de observar as coisas deve ser o registro simultâneo de XYZT, ou seja, a fotografia de longo prazo da forma mais o tempo, também é a função final do microscópio.
Após mais de 300 anos de desenvolvimento, os microscópios modernos propuseram conceitos como resolução, profundidade de campo e campo de visão, e continuamente propuseram soluções. Os microscópios atenderam inicialmente às nossas necessidades de observação do mundo microscópico e nos ajudaram a registrar o espaço e o tempo do mundo microscópico.
A coisa mais importante na observação microscópica do mundo é a resolução dos detalhes, e o conceito de resolução nasceu disso. A resolução refere-se à distância mínima entre dois pontos que podem ser distinguidos pelo olho humano e só é válida na dimensão XY. De acordo com o critério de Rayleigh, Rayleigh Criterion, o limite que as pessoas normais podem distinguir é dois pontos de 0,2mm a uma distância de 25cm. Quando usamos um microscópio, podemos ver dois pontos a uma distância menor, o que melhora a resolução de nossa observação. Com o aprofundamento contínuo da pesquisa moderna, os requisitos de resolução das pessoas também estão aumentando constantemente, e os cientistas também estão melhorando constantemente a resolução dos microscópios. Por exemplo, os microscópios eletrônicos aumentaram a resolução para o nível nanométrico, permitindo a observação de vírus. A tecnologia de imagem microscópica ultra-alta melhora a resolução do microscópio de 200 nanômetros para dezenas de nanômetros, realizando a observação de organelas celulares vivas.
A melhoria da resolução também traz novos problemas, ou seja, a redução do campo de visão e da profundidade de campo. Ao usar o método de iluminação central comum (o método de iluminação fotópica que faz a luz passar uniformemente pela amostra), a distância de resolução do microscópio é d=0.61 λ/NA, a faixa de comprimento de onda da luz visível é { {2}}nm, o comprimento de onda médio é 550 nm e o comprimento de onda é uma constante fixa. Portanto, aumentando o valor NA pode-se obter um valor D menor, ou seja, a distância entre dois pontos que podem ser distinguidos Menor, permitindo que as pessoas vejam objetos menores com clareza.
O valor NA é a abertura numérica, que descreve o tamanho do ângulo do cone receptor de luz da lente, NA=n * sin , ou seja, o produto do índice de refração (n) do meio entre a lente e o objeto a ser inspecionado e o seno da metade do ângulo de abertura (2 ). n é o índice de refração da luz do meio entre a lente objetiva e a amostra. Quando o meio espacial do objeto do microscópio é o ar, o índice de refração n=1. Usar um meio com um índice de refração mais alto que o ar pode aumentar significativamente o valor de NA. O meio de imersão em água é água destilada e o índice de refração A proporção é de 1,33; o meio objetivo de imersão em óleo é óleo de cedro ou outros óleos transparentes, e seu índice de refração é geralmente em torno de 1,52, que é próximo ao índice de refração da lente e do vidro deslizante. Portanto, o valor NA da lente de óleo é maior que o da lente de ar.
O ângulo de abertura, também conhecido como "ângulo da boca do espelho", é o ângulo formado pelo ponto do objeto no eixo óptico da lente e o diâmetro efetivo da lente frontal da lente objetiva. Aumentar o ângulo da boca do espelho pode aumentar o valor do seno, e seu limite superior real é de cerca de 72 graus (o valor do seno é 0,95), multiplicado pelo índice de refração do óleo de cedro 1,52, pode-se obter que o o valor máximo de NA é de cerca de 1,45 e, substituído na fórmula de cálculo da resolução, pode-se obter que a resolução do plano XY limite de um microscópio convencional é de cerca de 0,2um.
O valor NA também afeta diretamente o brilho do campo de visão do microscópio (B). Da fórmula B∝NA2/M2 podemos deduzir que o brilho aumenta com o aumento da abertura numérica (NA) ou com a diminuição da ampliação da objetiva (M).
Teoricamente, devemos buscar o valor NA mais alto possível para obter melhor resolução do plano XY e brilho do campo de visão. No entanto, tudo tem dois lados. A melhoria da resolução do plano XY reduzirá a profundidade de campo do eixo Z e o campo de visão de observação.
Os microscópios geralmente visualizam a visão verticalmente para baixo. Quando a posição convexa e a posição côncava na superfície do objeto observado dentro do diâmetro do campo de visão podem ser vistas claramente, então a diferença de altura entre o ponto convexo e o ponto côncavo é a profundidade de campo. Bem, para microscópios, quanto maior a profundidade de campo, melhor. Quanto maior a profundidade de campo, melhores e mais claras imagens tridimensionais podem ser obtidas ao observar a superfície de objetos irregulares. A grande profundidade de campo nos ajuda a observar o mundo microscópico na direção vertical. Ou seja, as informações do eixo Z na forma tridimensional XYZ.
Profundidade de campo é a profundidade do espaço frontal e traseiro correspondente à imagem nítida no plano da imagem: dtot=(λ*n)/NA mais n/(M∗NA) * e, dtot: profundidade de campo , NA: abertura numérica, M: ampliação total, λ: comprimento de onda da luz, (geralmente λ=0.55um), n: índice de refração do meio entre a amostra e a lente objetiva (ar: n{{3 }}, óleo: n=1.52) De acordo com esta fórmula, podemos saber que a profundidade de campo do eixo Z é inversamente proporcional ao valor NA do plano XY.
Além da profundidade de campo, o campo de visão também é afetado pelo valor NA. O alcance espacial que pode ser visto quando o instrumento está olhando fixamente para um ponto é o campo de visão. Seu cálculo está diretamente relacionado à ampliação da lente objetiva. O diâmetro real do campo de visão visto pela observação é igual ao diâmetro do campo de visão Dividido pela ampliação da lente objetiva, a ocular indicará o campo de visão correspondente, como 10/18, ou seja, o a ampliação é de 10 vezes e o diâmetro do campo de visão é de 18 mm. Portanto, quando a ocular é determinada, quanto maior a ampliação, menor o campo de visão observado.
A resolução do plano XY é a análise dos detalhes locais, e o campo de visão determina nosso alcance de observação da amostra. Quanto maior o campo de visão, melhor, mas limitado pela tecnologia atual, devemos usar lentes objetivas de alta potência para obter bons valores de NA, portanto, campo visual e valores de NA têm uma correlação indireta negativa.
