מהם היישומים העיקריים של מיקרוסקופים אופטיים
מיקרוסקופ אופטי הוא כלי מדעי עתיק וצעיר. מאז לידתו, יש לו היסטוריה של שלוש מאות שנה. מיקרוסקופים אופטיים נמצאים בשימוש נרחב, כגון בביולוגיה, כימיה, פיזיקה, אסטרונומיה וכו'. בכמה עבודות מחקר מדעיות, הכל בלתי נפרד מהמיקרוסקופ.
נכון לעכשיו, זה כמעט הפך לאישור תדמיתי של מדע וטכנולוגיה. אתה רק צריך לראות את ההופעות התכופות שלו בדיווחים בתקשורת על מדע וטכנולוגיה כדי לראות שזה נכון.
בביולוגיה, המעבדה אינה ניתנת להפרדה ממכשיר ניסוי זה, שיכול לעזור ללומדים ללמוד את העולם הלא נודע; להבין את העולם.
בתי חולים הם מקומות היישום הגדולים ביותר למיקרוסקופים. הם משמשים בעיקר לבחינת שינויים בנוזלי הגוף של המטופלים, חיידקים הפולשים לגוף האדם, שינויים במבנה התא ועוד, ומספקים לרופאים שיטות התייחסות ואימות לגיבוש תוכניות טיפול. במיקרוכירורגיה, המיקרוסקופ הוא הכלי היחיד של הרופא; בחקלאות, גידול, הדברה ועבודה אחרת לא יכולים להסתדר ללא עזרת המיקרוסקופ; בייצור תעשייתי, עיבוד, בדיקה והתאמת ההרכבה של חלקים עדינים, וחקר תכונות החומר אפשריים. מקום להראות את כישרונותיהם; חוקרים פליליים מסתמכים לרוב על מיקרוסקופים כדי לנתח פשעים מיקרוסקופיים שונים, כאמצעי חשוב לקביעת האשם האמיתי; גם מחלקות להגנת הסביבה משתמשות במיקרוסקופים כדי לזהות מזהמים מוצקים שונים; מהנדסי גיאולוגיה וכרייה ושרידים תרבותיים וארכיאולוגים משתמשים במיקרוסקופים. הרמזים שמצאו המיקרוסקופ יכולים לשמש כדי לשפוט את המכרות התת-קרקעיים העמוקים או להסיק את התמונה האמיתית של ההיסטוריה המאובקת; אפילו חיי היומיום של אנשים אינם ניתנים להפרדה מהמיקרוסקופ, כמו תעשיית היופי והמספרה, שיכולה להשתמש במיקרוסקופ כדי לזהות את העור, השיער וכו'. השג את התוצאות הטובות ביותר. ניתן לראות עד כמה המיקרוסקופ משולב עם הייצור והחיים של אנשים.
על פי מטרות יישום שונות, ניתן לסווג מיקרוסקופים באופן גס, וישנן ארבע קטגוריות נפוצות: מיקרוסקופים ביולוגיים, מיקרוסקופים מטאלוגרפיים, מיקרוסקופים סטריאו ומיקרוסקופים מקטבים. כפי שהשם מרמז, מיקרוסקופים ביולוגיים משמשים בעיקר בביו-רפואה, וחפצי התצפית הם לרוב גופים מיקרוסקופיים שקופים או שקופים; מיקרוסקופים מטאלוגרפיים משמשים בעיקר כדי להתבונן על פני השטח של עצמים אטומים, כגון המבנה המטאלוגרפי ופגמים פני השטח של חומרים; כאשר האובייקט מוגדל ומצטלם, הוא גם הופך את האוריינטציה של האובייקט והתמונה ביחס לעין האנושית לעקבית, ובעלת תחושת עומק, העולה בקנה אחד עם ההרגלים החזותיים המקובלים של אנשים; מיקרוסקופ האור המקוטב משתמש במאפייני ההעברה או ההשתקפות של חומרים שונים לאור מקוטב כדי להבחין ברכיבי מיקרו עצמים שונים. בנוסף, ניתן גם לחלק כמה סוגים מיוחדים, כמו מיקרוסקופ ביולוגי הפוך או מיקרוסקופ תרבות, שהוא מיקרוסקופ ביולוגי המשמש בעיקר לצפייה בתרבית דרך תחתית כלי התרבית; מיקרוסקופ הקרינה משתמש בחומרים מסוימים כדי לספוג אור ספציפי באורך גל קצר יותר ובמאפייני פליטת אור ספציפי באורך גל ארוך יותר, כדי למצוא את קיומם של חומרים אלו ולקבוע את תוכנם; מיקרוסקופים השוואה יכולים ליצור תמונות זו לצד זו או מרותקות על גבי שני עצמים באותו שדה ראייה, כדי להשוות את הדמיון וההבדלים של שני העצמים.
מיקרוסקופים אופטיים מסורתיים מורכבים בעיקר ממערכות אופטיות ומהמבנים המכניים התומכים בהן. המערכות האופטיות כוללות עדשות אובייקטיביות, עיניות ומעבים, שהן משקפי הגדלה מסובכים העשויים משקפיים אופטיות שונות. עדשת האובייקטיבית מגדילה את הדגימה, וההגדלה שלה M נקבעת לפי הנוסחה הבאה: M אובייקט =Δ∕f'object , כאשר f'object הוא אורך המוקד של עדשת האובייקטיב, וניתן להבין את Δ כ המרחק בין עדשת המטרה לעינית. העינית מגדילה שוב את התמונה שנוצרה על ידי עדשת האובייקטיב, ויוצרת תמונה וירטואלית ב-250 מ"מ מול עיני האנשים לצורך התבוננות. זוהי עמדת התצפית הנוחה ביותר עבור רוב האנשים. ההגדלה של העינית היא M eye=250/f' eye, f' eye היא אורך המוקד של העינית. ההגדלה הכוללת של המיקרוסקופ היא התוצר של עדשת האובייקטיב והעינית, כלומר M=Mobject*Meye=Δ*250∕f'eye*f;object. ניתן לראות שהקטנת אורך המוקד של עדשת האובייקט והעינית תגדיל את ההגדלה הכוללת, שהיא המפתח לראיית מיקרואורגניזמים כמו חיידקים במיקרוסקופ, וזה גם ההבדל בינה לבין משקפי מגדלת רגילים.
אם כך, האם ניתן להעלות על הדעת להקטין לאין שיעור את רשת f' object f' כדי להגדיל את ההגדלה כך שנוכל לראות עצמים עדינים יותר? התשובה היא לא! הסיבה לכך היא שהאור המשמש להדמיה הוא בעצם גל אלקטרומגנטי, ולכן עקיפה והפרעות יתרחשו בהכרח במהלך תהליך ההתפשטות, בדיוק כמו שהגלים על פני המים שאנו רואים בחיי היומיום יכולים לעקוף כאשר נתקלים במכשולים, וכאשר שני עמודים של גלי מים נפגשים, הם יכולים לחזק אחד את השני. או נחלש. כאשר גל האור הנפלט מנקודת אובייקט פולט אור בצורת נקודה נכנס לעדשת האובייקט, מסגרת עדשת האובייקט מעכבת את התפשטות האור, וכתוצאה מכך עקיפה והפרעות. יש סדרה של הילות בעוצמה חלשה ונחלשת בהדרגה. אנו קוראים לנקודת האור המרכזית דיסק אוורירי. כאשר שתי הנקודות פולטות האור קרובות למרחק מסוים, שני כתמי האור יחפפו עד שלא ניתן לאשרם כשני כתמי אור. ריילי הציע קריטריון, שהוא שכאשר המרחק בין מרכזים 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 ∕n.sinA=0.61 ב-∕ NA, בנוסחה, in הוא אורך הגל של האור גל, אורך הגל של גל האור שהעין האנושית יכולה לקלוט הוא בערך 0.4-0.7um, n הוא מקדם השבירה של המדיום שבו נמצאת נקודת פולטת האור, כמו ב האוויר, n≈1, במים, n≈1.33, ו-A הוא מחצית מזווית הפתיחה של נקודת האור למסגרת של עדשת האובייקט, ו-NA נקרא הצמצם המספרי של עדשת האובייקט. ניתן לראות מהנוסחה לעיל שהמרחק בין שתי הנקודות שעדשת האובייקטיב יכולה להבחין בהן מוגבל על ידי אורך הגל של האור והצמצם המספרי. מכיוון שאורך הגל של העין האנושית החדה ביותר הוא בערך 0.5um, זווית A לא יכולה לעלות על 90 מעלות, ו-sinA תמיד קטן מ-1. אינדקס השבירה המרבי עבור המדיום הזמין משדר אור הוא בערך 1.5, כך שערך e תמיד גדול מ-0.2um, שהוא מרחק הגבול הקטן ביותר שמיקרוסקופ אופטי יכול לפתור. באמצעות הגדלה של מיקרוסקופ, אם ברצונך להגדיל את מרחק נקודת האובייקט e שניתן לפתור על ידי עדשת אובייקטיבית בעלת ערך NA מסוים מספיק כדי להבחין בעין האנושית, אני גדול מ-{26}}.15 מ"מ או שווה ל-0. כאשר {{30}}.15 מ"מ הוא העין האנושית שהתקבלה בניסוי המרחק המינימלי בין שני מיקרו-אובייקטים הממוקמים 250 מ"מ מול העיניים וניתן להבחין בהם, כך M גדול או שווה ל- (0.15∕0.61 in) NA≈500N.A, כדי שהתצפית לא תהיה מפרכת מדי, מספיק להכפיל את M, כלומר 500N. A פחות או שווה ל-M פחות או שווה ל-1000N.A הוא טווח בחירה סביר להגדלה הכוללת של המיקרוסקופ. לא משנה כמה גדולה ההגדלה הכוללת, היא חסרת משמעות, מכיוון שהצמצם המספרי של עדשת האובייקט הגביל את המרחק המינימלי הניתן לפתרון. חפצים קטנים מפורטים.
ניגודיות הדמיה היא נושא מפתח נוסף במיקרוסקופים אופטיים. מה שנקרא ניגודיות הוא הניגודיות בשחור-לבן או הפרש הצבעים בין חלקים סמוכים על פני התמונה. לעין האנושית קשה לשפוט את ההבדל בבהירות מתחת ל-0.02. קצת יותר רגיש. לחלק מחפצי תצפית במיקרוסקופ, כמו דגימות ביולוגיות, יש הבדל קטן מאוד בבהירות בין הפרטים. בנוסף, שגיאות התכנון והייצור של המערכת האופטית המיקרוסקופית מפחיתות עוד יותר את ניגודיות ההדמיה ומקשות על ההבחנה. בשלב זה, לא ניתן לראות בבירור את פרטי האובייקט, לא בגלל שההגדלה הכוללת נמוכה מדי. , זה לא בגלל שהצמצם המספרי של עדשת האובייקטיב קטן מדי, אלא בגלל שהניגודיות של פני התמונה נמוכה מדי.
במהלך השנים, אנשים עבדו קשה כדי לשפר את כוח הרזולוציה וניגודיות ההדמיה של מיקרוסקופים. עם התקדמות מתמשכת של טכנולוגיית המחשב והכלים, התיאוריה והשיטות של עיצוב אופטי משתפרות כל הזמן. השיפור המתמיד של שיטות הגילוי והחדשנות של שיטות התצפית גרמו לכך שאיכות ההדמיה של מיקרוסקופים אופטיים קרובה לדרגת העקיפה המושלמת. זה יכול להסתגל למחקר של כל מיני דגימות. אמנם מכשירי ההגדלה וההדמיה כמו מיקרוסקופ אלקטרוני ומיקרוסקופ אולטראסוני יצאו ברצף בשנים האחרונות, יש להם ביצועים מועילים בהיבטים מסוימים, אך הם עדיין לא יכולים להיות זולים, נוחים ואינטואיטיביים, מתאימים במיוחד למחקר של אורגניזמים חיים. מיקרוסקופי אור מתחרים, שעדיין מחזיקים את הקרקע שלהם בחוזקה. מצד שני, בשילוב עם לייזר, מחשב, טכנולוגיית חומרים חדשה וטכנולוגיית מידע, המיקרוסקופ האופטי העתיק מתחדש ומגלה חיוניות חזקה. מיקרוסקופ דיגיטלי, מיקרוסקופ סריקה קונפוקאלי בלייזר, מיקרוסקופ סריקה לשדה קרוב, מיקרוסקופ דו-פוטונים ומכשירים בעלי פונקציות חדשות שונות או הניתנים להתאמה לתנאי סביבה חדשים שונים, מופיעים בזרם אינסופי, ומרחיבים עוד יותר את שדה היישום של מיקרוסקופים אופטיים, כדוגמה. כמה מרגשות הן התמונות המיקרוסקופיות של תצורות סלע שהועלו מהרובר מאדים! אנו יכולים להאמין לחלוטין שהמיקרוסקופ האופטי יועיל לאנושות עם גישה חדשה.
