Introdução aos principais campos de aplicação do microscópio óptico
O microscópio óptico é uma ferramenta científica antiga e jovem. Tem uma história de 300 anos desde o seu nascimento. O microscópio óptico tem uma ampla gama de utilizações. Por exemplo, em biologia, química, física, astronomia, etc., é inseparável do microscópio em alguns trabalhos de investigação científica.
De acordo com as diferentes finalidades de aplicação, os microscópios podem ser classificados aproximadamente em quatro categorias: microscópios biológicos, microscópios metalográficos, microscópios estéreo e microscópios polarizadores. Como o nome indica, os microscópios biológicos são usados principalmente na biomedicina, e os objetos de observação são, em sua maioria, microcorpos transparentes ou translúcidos; microscópios metalográficos são usados principalmente para observar a superfície de objetos opacos, como a estrutura metalográfica e defeitos superficiais dos materiais; embora os microscópios estereoscópicos ampliem microobjetos, eles também produzem objetos e imagens na mesma direção em relação ao olho humano e têm uma sensação de profundidade, que está em linha com os hábitos visuais convencionais das pessoas; microscópios polarizados usam as características de transmissão ou reflexão de diferentes materiais para luz polarizada para distinguir diferentes componentes de microobjetos. Além disso, alguns tipos especiais também podem ser subdivididos. Por exemplo, um microscópio biológico invertido ou um microscópio de cultura é um microscópio biológico usado principalmente para observar a cultura através do fundo de um recipiente de cultura; um microscópio de fluorescência usa as características de certas substâncias para absorver luz com um comprimento de onda específico mais curto e emitir luz com um comprimento de onda específico mais longo para descobrir a existência dessas substâncias e determinar seu conteúdo; um microscópio de comparação pode formar imagens justapostas ou sobrepostas de dois objetos no mesmo campo de visão para comparar as semelhanças e diferenças entre os dois objetos.
Os microscópios ópticos tradicionais são compostos principalmente por sistemas ópticos e suas estruturas mecânicas de suporte. Os sistemas ópticos incluem lentes objetivas, oculares e lentes condensadoras, todas elas lupas complicadas feitas de vários óculos ópticos. A lente objetiva amplia a amostra, e sua ampliação Mobject é determinada pela seguinte fórmula: Mobject =Δ∕f'object, onde f'object é a distância focal da lente objetiva, e Δpode ser entendido como a distância entre a lente objetiva e a ocular. A ocular amplia novamente a imagem formada pela lente objetiva, formando uma imagem virtual a 250 mm na frente do olho humano para observação. Esta é a posição de observação mais confortável para a maioria das pessoas. A ampliação da ocular M=250/f' olho, onde f' é a distância focal da ocular. A ampliação total do microscópio é o produto da lente objetiva e da ocular, ou seja, M=M objeto*M olho=Δ*250/f' olho *f; objeto. Pode-se observar que reduzir a distância focal da lente objetiva e da ocular aumentará a ampliação total, que é a chave para ver bactérias e outros microrganismos com um microscópio, e também é a diferença entre ele e as lupas comuns.
Então, é concebível reduzir a malha f' objeto f' sem limite, de modo a aumentar a ampliação, para que possamos ver objetos mais sutis? A resposta é não! Isso ocorre porque a luz usada para a geração de imagens é essencialmente um tipo de onda eletromagnética, então fenômenos de difração e interferência ocorrerão inevitavelmente durante o processo de propagação, assim como as ondulações na superfície da água que podem ser vistas na vida diária podem ocorrer ao encontrar obstáculos. , e duas colunas de ondas de água podem fortalecer ou enfraquecer uma à outra quando se encontram. Quando a onda de luz emitida por um objeto luminoso em forma de ponto entra na lente objetiva, a moldura da lente objetiva dificulta a propagação da luz, resultando em difração e interferência. Depois de passar pela lente objetiva, ela não consegue mais se reunir em um ponto, mas forma um ponto de luz de determinado tamanho, e há uma série de anéis de luz com intensidade fraca e gradualmente enfraquecendo na periferia. Chamamos o ponto brilhante central de disco Airy. Quando dois pontos emissores de luz estão próximos a uma certa distância, os dois pontos de luz se sobreporão até que não possam ser reconhecidos como dois pontos de luz. Rayleigh propôs um padrão de julgamento, pensando que quando a distância entre os centros dos dois pontos de luz é igual ao raio do disco de Airy, os dois pontos de luz podem ser distinguidos. Após o cálculo, a distância entre os dois pontos emissores de luz neste momento é e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA Na fórmula, In é o comprimento de onda da onda de luz, e o comprimento de onda da onda de luz que pode ser recebido pelo olho humano é de cerca de 0.4-0.7um, e n é o índice de refração do meio onde o ponto emissor de luz está localizado. Por exemplo, no ar, n≈1, na água, n≈1,33, e A é metade do ângulo de abertura do ponto luminescente para a moldura da lente objetiva, e NA é chamada de abertura numérica da lente objetiva. Pode-se observar pela fórmula acima que a distância entre dois pontos que a lente objetiva pode distinguir é limitada pelo comprimento de onda da luz e pela abertura numérica. Como o comprimento de onda do olho humano mais sensível é de cerca de 0,5um, e o ângulo A não pode exceder 90 graus, sinA é sempre menor que 1. O índice de refração máximo do transmissor de luz disponível o meio é cerca de 1,5, então o valor de e é sempre maior que 0.2um, que é a distância limite mínima que pode ser resolvida por um microscópio óptico. Amplie a imagem através de um microscópio. Se você deseja ampliar a distância do ponto do objeto e que pode ser resolvida pela lente objetiva com um certo valor NA suficiente para ser resolvido pelo olho humano, você precisa de Me maior ou igual a 0.15mm, onde { {29}}0,15mm é a distância mínima entre dois microobjetos que podem ser distinguidos pelo olho humano a 250mm na frente de seus olhos, então M Maior ou igual a (0,15∕0,61)NA ≈500N.A. Basta dobrar a ampliação, ou seja, 500N.A Menor ou igual a M Menor ou igual a 1000N.A, que é uma faixa de seleção razoável da ampliação total do microscópio. Não importa quão grande seja a ampliação total, ela não tem sentido, porque a abertura numérica da lente objetiva limitou a distância mínima resolúvel e é impossível distinguir detalhes menores do objeto aumentando a ampliação.
O contraste da imagem é outra questão importante em microscópios ópticos. O chamado contraste refere-se ao contraste preto e branco ou diferença de cor entre partes adjacentes na superfície da imagem. É difícil para o olho humano avaliar a diferença de brilho abaixo de 0.02, mas é um pouco mais sensível à diferença de cor. Alguns objetos de microscópio, como espécimes biológicos, têm muito pouca diferença de brilho entre os detalhes, e os erros de projeto e fabricação do sistema óptico do microscópio reduzem ainda mais o contraste da imagem e dificultam a distinção. Neste momento, os detalhes do objeto não podem ser vistos claramente.
Ao longo dos anos, as pessoas trabalharam arduamente para melhorar a resolução e o contraste da imagem do microscópio. Com o avanço contínuo da tecnologia e das ferramentas computacionais, a teoria e os métodos de design óptico também têm sido continuamente aprimorados. Juntamente com a melhoria do desempenho da matéria-prima, a melhoria contínua da tecnologia e dos métodos de detecção e a inovação dos métodos de observação, a qualidade da imagem do microscópio óptico aproximou-se da perfeição do limite de difração. As pessoas usarão coloração de amostras, campo escuro, contraste de fase, fluorescência, interferência e luz polarizada. Os instrumentos de imagem surgiram um após o outro e apresentam desempenho superior em alguns aspectos, mas ainda não conseguem competir com os microscópios ópticos em termos de baixo custo, conveniência, intuição e são especialmente adequados para pesquisas em organismos vivos. Os microscópios ópticos ainda ocupam firmemente suas próprias posições. Por outro lado, combinado com laser, computador, nova tecnologia de materiais e tecnologia da informação, o antigo microscópio óptico está rejuvenescendo e mostrando vitalidade vigorosa. Microscópios digitais, microscópios confocal de varredura a laser, microscópios de varredura de campo próximo, microscópios de dois fótons e instrumentos com diversas funções novas ou que podem se adaptar a diversas novas condições ambientais surgem em um fluxo interminável, o que expande ainda mais o campo de aplicação dos microscópios ópticos, como exemplos. Quão emocionantes são as imagens microscópicas de formações rochosas enviadas pelos rovers de Marte! Podemos acreditar plenamente que o microscópio óptico beneficiará a humanidade com uma atitude atualizada.
