מבוא לתחומי היישום העיקריים של מיקרוסקופ אופטי
המיקרוסקופ האופטי הוא כלי מדעי עתיק וצעיר. יש לו היסטוריה של 300 שנה מאז לידתו. למיקרוסקופ האופטי מגוון רחב של שימושים. לדוגמה, בביולוגיה, כימיה, פיזיקה, אסטרונומיה וכו', זה בלתי נפרד מהמיקרוסקופ בכמה עבודות מחקר מדעיות.
על פי מטרות יישום שונות, ניתן לסווג מיקרוסקופים באופן גס לארבע קטגוריות: מיקרוסקופים ביולוגיים, מיקרוסקופים מטאלוגרפיים, מיקרוסקופים סטריאו ומיקרוסקופים מקטבים. כפי שהשם מרמז, מיקרוסקופים ביולוגיים משמשים בעיקר בביו-רפואה, וחפצי התצפית הם לרוב גופי מיקרו שקופים או שקופים; מיקרוסקופים מטאלוגרפיים משמשים בעיקר כדי להתבונן על פני השטח של עצמים אטומים, כגון המבנה המטאלוגרפי ופגמים פני השטח של חומרים; בעוד שמיקרוסקופים סטריאוסקופיים מגדילים מיקרו-אובייקטים, הם גם יוצרים אובייקטים ודימויים באותו כיוון ביחס לעין האנושית, ויש להם תחושת עומק, התואמת את הרגלי הראייה המקובלים של אנשים; מיקרוסקופים מקטבים משתמשים במאפייני השידור או ההשתקפות של חומרים שונים עבור אור מקוטב כדי להבחין בין רכיבי מיקרו-אובייקט שונים. בנוסף, ניתן גם לחלק כמה סוגים מיוחדים. לדוגמה, מיקרוסקופ ביולוגי הפוך או מיקרוסקופ תרבות הוא מיקרוסקופ ביולוגי המשמש בעיקר לצפייה בתרבית דרך תחתית כלי תרבית; מיקרוסקופ פלואורסצנטי משתמש במאפיינים של חומרים מסוימים כדי לספוג אור עם אורך גל מסוים קצר יותר ולפלוט אור עם אורך גל ספציפי ארוך יותר כדי לגלות את קיומם של חומרים אלה ולקבוע את תוכנם; מיקרוסקופ השוואה יכול ליצור תמונות צמודות או מוליכות של שני עצמים באותו שדה ראייה כדי להשוות את הדמיון וההבדלים בין שני העצמים.
מיקרוסקופים אופטיים מסורתיים מורכבים בעיקר ממערכות אופטיות ומהמבנים המכניים התומכים שלהן. המערכות האופטיות כוללות עדשות אובייקטיביות, עיניות ועדשות מעבה, כולן משקפי הגדלה מסובכים העשויים משקפיים אופטיות שונות. עדשת האובייקטיבית מגדילה את הדגימה, וההגדלה שלה Mobject נקבעת על ידי הנוסחה הבאה: Mobject =Δ∕f'object, כאשר f'object הוא אורך המוקד של עדשת האובייקטיב, ו- Δניתן להבין כמרחק בין עדשת האובייקטיב לעינית. העינית מגדילה שוב את התמונה שנוצרה על ידי עדשת האובייקטיב, ויוצרת תמונה וירטואלית ב-250 מ"מ מול העין האנושית לצורך התבוננות. זוהי עמדת התצפית הנוחה ביותר עבור רוב האנשים. ההגדלה של העינית M=250/f' eye, כאשר f' הוא אורך המוקד של העינית. ההגדלה הכוללת של המיקרוסקופ היא המכפלה של עדשת האובייקטיב והעינית, כלומר M=M אובייקט*M eye=Δ*250/f' eye *f; לְהִתְנַגֵד. ניתן לראות שהקטנת אורך המוקד של עדשת האובייקט והעינית תגדיל את ההגדלה הכוללת, שהיא המפתח לראיית חיידקים ומיקרואורגניזמים אחרים עם מיקרוסקופ, וזה גם ההבדל בינה לבין משקפי מגדלת רגילים.
אז האם ניתן להעלות על הדעת לצמצם את רשת f' object f' ללא הגבלה, כדי להגדיל את ההגדלה, כדי שנוכל לראות עצמים עדינים יותר? התשובה היא לא! הסיבה לכך היא שהאור המשמש להדמיה הוא בעצם סוג של גל אלקטרומגנטי, ולכן תופעות של עקיפה והפרעות יתרחשו בהכרח במהלך תהליך ההתפשטות, בדיוק כמו שהגלים על פני המים שניתן לראות בחיי היומיום יכולים להסתובב כאשר נתקלים במכשולים. , ושני עמודים של גלי מים יכולים לחזק או להחליש זה את זה כשהם נפגשים. כאשר גל האור הנפלט מעצם זוהר בצורת נקודה נכנס לעדשת האובייקטיב, המסגרת של עדשת האובייקט מעכבת את התפשטות האור, וכתוצאה מכך יש עקיפה והפרעות. לאחר שעברה דרך עדשת האובייקטיבית היא כבר לא יכולה להתאסף בנקודה אחת, אלא יוצרת כתם אור בגודל מסוים, ובפריפריה יש סדרה של טבעות אור בעוצמה חלשה והולכת ונחלשת. אנו קוראים לנקודת האור המרכזית דיסק אוורירי. כאשר שתי נקודות פולטות אור קרובות למרחק מסוים, שני כתמי האור יהיו חופפים עד שלא ניתן לזהותם כשני כתמי אור. ריילי הציע תקן שיפוט, מתוך מחשבה שכאשר המרחק בין המרכזים של שני כתמי האור שווה לרדיוס של הדיסק האוורירי, ניתן להבחין בין שני כתמי האור. לאחר החישוב, המרחק בין שתי נקודות פולטות האור בזמן זה הוא e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA בנוסחה, In הוא אורך גל האור, ואורך גל האור שיכול להתקבל על ידי העין האנושית הוא בערך 0.4-0.7um, ו-n הוא מקדם השבירה של המדיום שבו נמצאת נקודת פולטת האור. לדוגמה, באוויר, n≈1, במים, n≈1.33, ו-A הוא מחצית מזווית הפתיחה של נקודת הזוהר למסגרת של עדשת האובייקט, ו-NA נקרא הצמצם המספרי של עדשת האובייקט. ניתן לראות מהנוסחה לעיל שהמרחק בין שתי נקודות שעדשת האובייקטיב יכולה להבחין בה מוגבל על ידי אורך הגל של האור והצמצם המספרי. מכיוון שאורך הגל של העין האנושית הרגישה ביותר הוא בערך 0.5um, והזווית A אינה יכולה לעלות על 90 מעלות, sinA תמיד קטן מ-1. מקדם השבירה המרבי של משדר האור הזמין המדיום הוא בערך 1.5, כך שהערך של e תמיד גדול מ-0.2um, שהוא המרחק הגבול המינימלי שניתן לפתור על ידי מיקרוסקופ אופטי. הגדל את התמונה באמצעות מיקרוסקופ. אם אתה רוצה להגדיל את מרחק נקודת האובייקט e שיכול להיפתר על ידי עדשת האובייקט עם ערך NA מסוים מספיק כדי להיפתר על ידי העין האנושית, אתה צריך Me Greater או שווה ל-0.15mm, שבו { {29}}.15 מ"מ הוא המרחק המינימלי בין שני מיקרו-אובייקטים שניתן להבחין על ידי העין האנושית ב-25 0 מ"מ מול העיניים שלך, כך M גדול או שווה ל-(0.15∕0.61)NA ≈500N.A. מספיק להכפיל את ההגדלה, כלומר 500N.A פחות או שווה ל-M פחות או שווה ל-1000N.A, שהוא טווח בחירה סביר של ההגדלה הכוללת של המיקרוסקופ. לא משנה כמה גדולה ההגדלה הכוללת, היא חסרת משמעות, מכיוון שהצמצם המספרי של עדשת האובייקט הגביל את המרחק המינימלי הניתן לפתרון, ואי אפשר להבחין בפרטי אובייקט קטנים יותר על ידי הגדלת ההגדלה.
ניגודיות הדמיה היא נושא מפתח נוסף במיקרוסקופים אופטיים. מה שנקרא ניגודיות מתייחס לניגודיות השחור-לבן או הפרש הצבעים בין חלקים סמוכים על פני התמונה. לעין האנושית קשה לשפוט את הבדלי הבהירות מתחת ל-0.02, אבל היא רגישה מעט יותר להבדל הצבעים. לחלק מחפצי מיקרוסקופ, כמו דגימות ביולוגיות, יש מעט מאוד הבדל בהירות בין הפרטים, ושגיאות התכנון והייצור של המערכת האופטית המיקרוסקופית מפחיתות עוד יותר את ניגודיות ההדמיה ומקשות על ההבחנה. בשלב זה, לא ניתן לראות בבירור את פרטי האובייקט.
במהלך השנים, אנשים עבדו קשה כדי לשפר את הרזולוציה וניגודיות ההדמיה של המיקרוסקופ. עם התקדמות מתמשכת של טכנולוגיית המחשב והכלים, התיאוריה והשיטות של עיצוב אופטי שופרו גם הם ללא הרף. יחד עם שיפור ביצועי חומרי הגלם, שיפור מתמיד של טכנולוגיות ושיטות זיהוי וחדשנות שיטות התצפית, איכות ההדמיה של המיקרוסקופ האופטי התקרבה לשלמות של גבול העקיפה. אנשים ישתמשו בצביעת דגימות, שדה כהה, ניגודיות פאזה, פלואורסצנטיות, הפרעות ואור מקוטב. מכשירי הדמיה יצאו בזה אחר זה, ויש להם ביצועים מעולים בהיבטים מסוימים, אבל הם עדיין לא יכולים להתחרות במיקרוסקופים אופטיים מבחינת זולות, נוחות, אינטואיציה, ומתאימים במיוחד למחקר על אורגניזמים חיים. מיקרוסקופים אופטיים עדיין תופסים היטב את עמדותיהם. מצד שני, בשילוב עם לייזר, מחשב, טכנולוגיית חומרים חדשה וטכנולוגיית מידע, המיקרוסקופ האופטי העתיק מתחדש ומגלה חיוניות נמרצת. מיקרוסקופים דיגיטליים, מיקרוסקופים סריקה קונפוקאליים בלייזר, מיקרוסקופים סריקת שדה קרוב, מיקרוסקופים דו-פוטונים ומכשירים בעלי פונקציות חדשות שונות או שיכולים להסתגל לתנאים סביבתיים חדשים שונים, מופיעים בזרם אינסופי, מה שמרחיב עוד יותר את תחום היישום של מיקרוסקופים אופטיים, כמו דוגמאות. כמה מרגשות הן התמונות המיקרוסקופיות של תצורות סלע שהועלו מהרוברים של מאדים! אנו יכולים להאמין לחלוטין שהמיקרוסקופ האופטי יועיל לאנושות עם גישה מעודכנת.
