Introducción a los principales campos de aplicación del microscopio óptico.
El microscopio óptico es una herramienta científica antigua y joven. Tiene una historia de 300 años desde su nacimiento. El microscopio óptico tiene una amplia gama de usos. Por ejemplo, en biología, química, física, astronomía, etc., es inseparable del microscopio en algunos trabajos de investigación científica.
Según los diferentes propósitos de aplicación, los microscopios se pueden clasificar aproximadamente en cuatro categorías: microscopios biológicos, microscopios metalográficos, microscopios estereoscópicos y microscopios polarizadores. Como su nombre lo indica, los microscopios biológicos se utilizan principalmente en biomedicina y los objetos de observación son en su mayoría microcuerpos transparentes o translúcidos; los microscopios metalográficos se utilizan principalmente para observar la superficie de objetos opacos, como la estructura metalográfica y los defectos superficiales de los materiales; si bien los microscopios estereoscópicos magnifican microobjetos, también crean objetos e imágenes en la misma dirección con respecto al ojo humano y tienen una sensación de profundidad, que está en consonancia con los hábitos visuales convencionales de las personas; Los microscopios polarizadores utilizan las características de transmisión o reflexión de diferentes materiales para que la luz polarizada distinga diferentes componentes de microobjetos. Además, también se pueden subdividir algunos tipos especiales. Por ejemplo, un microscopio biológico invertido o un microscopio de cultivo es un microscopio biológico que se utiliza principalmente para observar el cultivo a través del fondo de un recipiente de cultivo; un microscopio de fluorescencia utiliza las características de ciertas sustancias para absorber luz con una longitud de onda más corta específica y emitir luz con una longitud de onda más larga específica para descubrir la existencia de estas sustancias y determinar su contenido; un microscopio de comparación puede formar imágenes yuxtapuestas o superpuestas de dos objetos en el mismo campo de visión para comparar las similitudes y diferencias entre los dos objetos.
Los microscopios ópticos tradicionales se componen principalmente de sistemas ópticos y sus estructuras mecánicas de soporte. Los sistemas ópticos incluyen lentes de objetivo, oculares y lentes de condensador, todos los cuales son lupas complicadas hechas de varios cristales ópticos. La lente objetivo magnifica la muestra, y su aumento Mobject está determinado por la siguiente fórmula: Mobject =Δ∕f'object, donde f'object es la distancia focal de la lente objetivo, y Δ puede entenderse como la distancia entre la lente del objetivo y el ocular. El ocular vuelve a ampliar la imagen formada por la lente del objetivo, formando una imagen virtual a 250 mm delante del ojo humano para su observación. Ésta es la posición de observación más cómoda para la mayoría de las personas. El aumento del ocular M=250/f' ojo, donde f' es la distancia focal del ocular. El aumento total del microscopio es el producto de la lente del objetivo y el ocular, es decir, M=M objeto*M ojo=Δ*250/f' ojo *f; objeto. Se puede ver que reducir la distancia focal de la lente del objetivo y el ocular aumentará el aumento total, que es la clave para ver bacterias y otros microorganismos con un microscopio, y también es la diferencia entre este y las lupas comunes.
Entonces, ¿es concebible reducir la malla f' objeto f' sin límite, para aumentar la ampliación, de modo que podamos ver objetos más sutiles? ¡La respuesta es no! Esto se debe a que la luz utilizada para obtener imágenes es esencialmente un tipo de onda electromagnética, por lo que inevitablemente se producirán fenómenos de difracción e interferencia durante el proceso de propagación, al igual que las ondas en la superficie del agua que se pueden ver en la vida diaria cuando se encuentran obstáculos. , y dos columnas de ondas de agua pueden fortalecerse o debilitarse entre sí cuando se encuentran. Cuando la onda de luz emitida por un objeto luminoso en forma de punto ingresa a la lente del objetivo, el marco de la lente del objetivo dificulta la propagación de la luz, lo que resulta en difracción e interferencia. Después de pasar a través de la lente del objetivo, ya no puede acumularse en un punto, sino que forma un punto de luz de cierto tamaño, y hay una serie de anillos de luz con una intensidad débil y que se debilita gradualmente en la periferia. Al punto brillante central lo llamamos disco de Airy. Cuando dos puntos emisores de luz están cerca de una cierta distancia, los dos puntos de luz se superpondrán hasta que no puedan reconocerse como dos puntos de luz. Rayleigh propuso un estándar de juicio, pensando que cuando la distancia entre los centros de los dos puntos de luz es igual al radio del disco de Airy, los dos puntos de luz se pueden distinguir. Después del cálculo, la distancia entre los dos puntos emisores de luz en este momento es e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA En la fórmula, In es la longitud de onda de la onda de luz, y la longitud de onda de la onda de luz que puede recibir el ojo humano es aproximadamente 0.4-0.7um, y n es el índice de refracción del medio donde se encuentra el punto emisor de luz. Por ejemplo, en el aire, n≈1, en el agua, n≈1,33, y A es la mitad del ángulo de apertura del punto luminiscente con respecto al marco de la lente del objetivo, y NA se denomina apertura numérica de la lente del objetivo. De la fórmula anterior se puede ver que la distancia entre dos puntos que la lente del objetivo puede distinguir está limitada por la longitud de onda de la luz y la apertura numérica. Dado que la longitud de onda del ojo humano más sensible es de aproximadamente 0.5um y el ángulo A no puede exceder los 90 grados, senA siempre es menor que 1. El índice de refracción máximo de los transmisores de luz disponibles medio es aproximadamente 1,5, por lo que el valor de e siempre es mayor que 0.2um, que es la distancia límite mínima que puede resolverse con un microscopio óptico. Ampliar la imagen a través de un microscopio. Si desea ampliar la distancia del punto del objeto e que puede resolver la lente del objetivo con un cierto valor de NA suficiente para ser resuelto por el ojo humano, necesita Me Mayor o igual a 0.15 mm, donde { {29}}.15 mm es la distancia mínima entre dos microobjetos que el ojo humano puede distinguir a 250 mm delante de tus ojos, por lo que M Mayor o igual a (0,15∕0,61)NA ≈500N.A. Es suficiente duplicar el aumento, es decir, 500 N.A menor o igual a M menor o igual a 1000 N.A, que es un rango de selección razonable del aumento total del microscopio. No importa cuán grande sea el aumento total, no tiene sentido, porque la apertura numérica de la lente del objetivo ha limitado la distancia mínima resoluble y es imposible distinguir detalles de objetos más pequeños aumentando el aumento.
El contraste de las imágenes es otra cuestión clave en los microscopios ópticos. El llamado contraste se refiere al contraste en blanco y negro o la diferencia de color entre partes adyacentes en la superficie de la imagen. Es difícil para el ojo humano juzgar la diferencia de brillo por debajo de 0.02, pero es un poco más sensible a la diferencia de color. Algunos objetos microscópicos, como las muestras biológicas, tienen muy poca diferencia de brillo entre los detalles, y los errores de diseño y fabricación del sistema óptico del microscopio reducen aún más el contraste de la imagen y dificultan su distinción. En este momento, los detalles del objeto no se pueden ver con claridad.
A lo largo de los años, la gente ha trabajado duro para mejorar la resolución y el contraste de las imágenes del microscopio. Con el avance continuo de la tecnología y las herramientas informáticas, la teoría y los métodos de diseño óptico también se han mejorado continuamente. Junto con la mejora del rendimiento de la materia prima, la mejora continua de la tecnología y los métodos de detección y la innovación de los métodos de observación, la calidad de imagen del microscopio óptico se ha acercado a la perfección del límite de difracción. La gente utilizará tinción de muestras, campo oscuro, contraste de fases, fluorescencia, interferencia y luz polarizada. Los instrumentos de imagen han ido apareciendo uno tras otro y tienen un rendimiento superior en algunos aspectos, pero aún no pueden competir con los microscopios ópticos en términos de bajo costo, conveniencia, intuición y especialmente adecuados para la investigación de organismos vivos. Los microscopios ópticos todavía ocupan firmemente su lugar. Por otro lado, combinado con láser, computadora, nueva tecnología de materiales y tecnología de la información, el antiguo microscopio óptico está rejuveneciendo y mostrando una vigorosa vitalidad. Microscopios digitales, microscopios de barrido confocales láser, microscopios de barrido de campo cercano, microscopios de dos fotones e instrumentos con diversas funciones nuevas o que pueden adaptarse a diversas condiciones ambientales nuevas surgen en una corriente interminable, lo que amplía aún más el campo de aplicación de los microscopios ópticos, como ejemplos. ¡Qué emocionantes son las imágenes microscópicas de formaciones rocosas subidas desde los vehículos exploradores de Marte! Podemos creer plenamente que el microscopio óptico beneficiará a la humanidad con una actitud actualizada.
