Оптическая микроскопия. 
Методы визуализации поверхности

Человеческий глаз, позволяющий нам видеть и изучать окружающий мир, представляет собой довольно простую оптическую систему, главным элементом которой является хрусталик, фактически представляющий собой линзу из жидкокристаллического вещества. Минимальные объекты, которые можно разглядеть при помощи такой оптической системы, имеют размеры около 0,1 мм, а для разглядывания и изучения более мелких предметов сперва стали применять очки или лупы, а затем и сложные конструкции из оптических линз, называемые оптическими микроскопами.

Микроскоп (от греч. mikros — малый и skopeo — смотрю) — прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), не видимых невооруженным глазом.

Рис. 1. Типичная схема оптического микроскопа

Оптическая схема и принцип действия оптического микроскопа

Одна из типичных схем оптического микроскопа приведена на рис. 1. Объект 7, расположенный на предметном столике 10, освещается обычно искусственным светом от осветителя (лампа 1 и линза-коллектор 2) с помощью зеркала 4 и конденсора 6. Для увеличения объекта служит объектив 8 и окуляр 9. Объектив создает действительное перевернутое и увеличенное изображение 7' объекта 7. Окуляр образует вторично увеличенное мнимое изображение 7″ обычно на расстоянии наилучшего видения D=250 мм. Если окуляр сдвинуть так, чтобы изображение 7' оказалось перед передним фокусом окуляра F_ок, то изображение, даваемое окуляром, становится действительным и его можно получить на экране или фотопленке. Общее увеличение равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра:

x=bX_ок.

Увеличение объектива выражается формулой:

b=D/F_об,.

где D — расстояние между задним фокусом объектива F_об и передним фокусом окуляра F_ок (так называемая оптическая длина тубуса микроскопа); F_об — фокусное расстояние объектива. Увеличение окуляра, подобно увеличению лупы, выражается формулой:

X_ок = 250/F_ок,.

где F_ок — фокусное расстояние окуляра. Обычно объективы оптических микроскопов имеют увеличения от 6,3 до 100, а окуляры от 7 до 15. Поэтому общее увеличение такого микроскопа лежит в пределах от 44 до 1500. Полевая диафрагма 3 и апертурная 5 служат для ограничения светового пучка и уменьшения рассеянного света. Важной характеристикой оптического микроскопа является его разрешающая способность, определяемая как величина, обратная тому наименьшему расстоянию, на котором два соседних элемента структуры еще могут быть видимы раздельно. Разрешающая способность оптического микроскопа ограничена, что объясняется дифракцией света. Вследствие дифракции изображение бесконечно малой светящейся точки, даваемое объективом такого микроскопа, имеет вид не точки, а круглого светлого диска (окруженного темными и светлыми кольцами), диаметр которого равен: d = 1,22 /А, где — длина волны света и А — числовая апертура объектива, равная: А = nsin (a/2) (n — показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом, a — угол между крайними лучами конического светового пучка, выходящего из точки предмета и попадающего в объектив). Если две светящиеся точки расположены близко друг от друга, их дифракционные картины накладываются одна на другую, давая в плоскости изображения сложное распределение освещенности. Наименьшая относительная разница освещенностей, которая может быть замечена глазом, равна 4%. Этому соответствует наименьшее расстояние, разрешаемое в оптическом микроскопе,.

d=0,51/А.

Для несамосветящихся объектов предельное разрешение d_пр составляет.

/ (А+А'),

где А' - числовая апертура конденсора микроскопа. Таким образом, разрешающая способность (1/d) прямо пропорциональна апертуре объектива и для ее повышения пространство между предметом и объективом заполняется жидкостью с большим показателем преломления. Апертуры иммерсионных объективов большого увеличения достигают величины А=1,3 (у обычных «сухих» объективов А=0,9). Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличения оптического микроскопа. Увеличение оптического микроскопа в пределах 500А — 1000А называется полезным, так как при нем глаз различает все элементы структуры объекта, разрешаемые микроскопом. При увеличениях свыше 1000А не выявляются никакие новые подробности структуры объекта; все же иногда такие увеличения применяются, например, в микрофотографии, при микропроекции.