Физика оптической микроскопии

двумя ступенями увеличения.
Предназначен для наблюдения в увеличенном виде близкорасположенных

Первая ступень - ОБЪЕКТИВ - центрическая система из 4-10 линз, предназначенная для непосредственного рассмотрения объекта и формирования промежуточного изображения.

Вторая ступень - ОКУЛЯР - система из 2-5 линз, предназначенная для рассмотрения промежуточного изображения.

микроскоп оптически центрированная система.
2. Стрелками изобразить рассматриваемый объект, промежуточное изображение

с оптической осью определят оптические центры объектива и окуляра.

окуляра, для этого используем стандартные процедуры построения изображений собирающих линз.

дальнейшем.
Расстояние между объективом и окуляром много больше их фокусных расстояний,

произвольном расстоянии. Главное, чтобы оно находилось в области аккомодации человеческого

Особенности современного биологического микроскопа:

1) Максимальное увеличение ~ 1000 ×.

2) Подсветка. Используются светодиоды. Чем больше увеличение, тем ярче требуется подсветка.

3) Линза Барлоу. Вставляется в тубус вместе с окуляром. Линзу можно выдвигать из тубуса, плавно изменяя увеличение микроскопа (max в 1.6 раз).

4) Цифровая камера-окуляр с программным обеспечением и драйверами. Подключается к разъёму USB ПК.

размера окончательного изображения к размеру предмета.
ГМ = Гобъектива ×

Гобъектива = l1/l

Гокуляра = l2/l1

ГМ = l2/l

ГМ = l1/l × l2/l1

ГМ = (l1 ∙ l2)/(l ∙ l1)

ГМ = l2/l

= l1/l × l2/l1 = Δ/F1 × L/F2

микроскопа, равна произведению показателя преломления среды, находящейся между предметом и

А = n * sin u/2

Апертурный угол (u) – угол между крайними лучами светового пучка, входящего в линзу объектива от предмета.

– между покровным стеклом и линзой объектива находится слой жидкости

Иммерсия предложена Амичи в 1840 г. Он использовал воду.

1878 г. Аббе – однородная иммерсия. Показатель преломления жидкости (кедровое масло n = 1.515) почти равен показателю преломления покровного стекла и линзы объектива.

Цель иммерсии – повысить числовую апертуру, т.е. светособирающую и разрешающую способности микроскопа.

Наименьшая апертура – 0.2. Наибольшая 1.3 у иммерсионных объективов с увеличением 100.

раздельные изображения двух предельно близко расположенных точек объекта или его

Предел разрешения (d) – минимальное расстояние, на котором две точки предмета видны раздельно.

R = 1/d

d = λ / 2A

R = 2A / λ = 2 * n * sin(u/2) / λ

λ – длина волны света, при котором проводят наблюдения.

световой волны в среде между покровным стеклом и линзой объектива

Увеличение линз объектива и окуляра не влияет на предел разрешения. Он ограничивает максимально возможное увеличение микроскопа (если расстояние между двумя точками меньше d, сколько не повышай увеличение, они всё равно сольются).

Наличие предельного разрешения микроскопа объясняется волновой природой света. В окуляр мы наблюдаем не чётко увеличенное изображение, а дифракционную картину от круглого отверстия. Светящаяся точка после увеличения наблюдается в виде кружка Эйри. Наблюдаемый объект – совокупность точечных источников, следовательно промежуточное изображение микроскопа – совокупность кружков Эйри.

l – расстояние между ними, тогда промежуточное изображение – два

Радиус кружка Эйри 0.61λ/φ.

снижается.

их изображения (кружки Эйри) находятся на расстоянии, равном радиусу кружка

≥ 0.61λ/φ
l ∙ n ∙ sinθ = l1 ∙ φ
l

θ = u/2; l = d

d = 0.61λ / n ∙ sin(u/2) ≈ λ / 2A

Рэлея можно применить к человеческому глазу и рассчитать предел разрешения.
l

l – расстояние между двумя точками (S'1 и S'2) на сетчатке.

l = f*β, f = OO' и

В силу малости углов

f*φ = D/2.

l = β*D/2φ.

β ≥ 1.22λ/D = 1.67 × 10-4 рад = 35"

Диаметр зрачка D = 4 мм.

Длина волны λ =550 нм.

нерв;
11 - желтое пятно.

доступ света.
Хрусталик – прозрачное тело, природная двояковыпуклая линза, n ≈

выполняет склера, капсула хрусталика и его связка, стекловидное тело).
2.

3. Светорегулирующая (радужка, реснитчатое тело).

4. Световоспринимающая (палочки и колбочки).

Жидкость передней камеры D = 2-4 дптр.
3. Хрусталик D =

4. Стекловидное тело D = 5-6 дптр. (подобно рассеивающей линзе)

D = 1/F – оптическая сила линзы, F – фокусное расстояние.

Оптическая сила глаза представляет собой алгебраическую сумму оптических сил всех основных преломляющих сред.

D = 63 дптр. (покой), D = 70 и более (напряжен).

центры роговицы, зрачка и хрусталика.
Зрительная ось проходит через центры

Глаз – центрированная система.

Угол между оптической и зрительной осью равен 5°.

различают цвет. Палочки работают в условиях сумеречного и ночного зрения,

При освещённости меньше 0.01 лк. (ночью и в сумерки) зрительное ощущение вызывается за счёт раздражения одних только палочек.

С освещённостей ≈ 1 лк. начинается цветное зрение.

При освещенностях выше 102-103 лк. работают в основном колбочки.

0.1-0.2 лк. – ночью полная Луна; ~10-3 лк. – безоблачное звёздное небо; ~1 лк. – с трудом можно читать; нормы минимальной освещённости в аудитории ≥ 75 лк.

Каждая точка освещённого предмета или источника света (лампы, мониторы) излучает

чёткая картина

недостаточная оптическая сила

избыточная оптическая сила

нечёткая картина

Изменяя оптическую силу глаза
1. Приближение хрусталика к сетчатке
1. Удаление хрусталика

2. Уменьшение оптической силы

2. Увеличение оптической силы

изменяет кривизну поверхности хрусталика → изменяется фокусное расстояние и оптическая

Деформация хрусталика может происходить в определённых пределах → есть границы расстояний, в пределах которых глаз может отчётливо видеть предметы. Область аккомодации ограничена ближней и дальней точками ясного видения.

Ближняя точка – кольцевая мышца максимально напряжена, кривизна максимальна.

Дальняя точка – мышца расслаблена, кривизна минимальна.

бесконечность (собирает параллельные лучи на сетчатке) – это дальняя точка

В норме при приближении предмета к глазу на расстояние до 25 см. аккомодация осуществляется без существенного напряжения. 25 см. – расстояние наилучшего зрения.
На меньших расстояниях можно рассмотреть более мелкие детали, но быстро наступает утомление.

одной линзы. Это позволяет ввести понятие оптического цента глаза, совпадающего

Размер изображения на сетчатке (b) зависит от размера предмета (B) и его удаленности от глаза (L), т.е. от угла зрения (β).

Угол зрения – угол между лучами, идущими от крайних точек предмета через оптический центр глаза.

на желтое пятно, поле зрения невелико угловые размеры ~ 6°

Рассматривание предмета

Глаз быстро поворачиваться в глазной впадине, обегая все точки предмета. Благодаря подвижности глаза поле ясного зрения увеличивается до 150° по горизонтали и 120° по вертикали. Также подвижность позволяет концентрировать внимание на наиболее важных деталях предмета.

l = 17 мм.

β = b/l = 1/17 = 0.059 рад ≈ 3.4°

(1 мм на сетчатке)

угол зрения (βmin) – это такой угол зрения, при котором

Две точки воспринимаются раздельно, если их изображения попадают на соседние колбочки.

В центральной ямке диаметр колбочек и расстояния между ними ≈ 2.5 мкм, поэтому для угла зрения имеем

βmin = b/l = 2.5×10-6/0.017 = 0.00015 рад = 0.0085° = 0.5'

Глаз способен различать две точки при видимом расстоянии между ними 0.5 угловых минут.

1'.
Для характеристики зрения используется разрешающая способность (острота зрения) глаза –

V = 1/βmin = d/D

V – острота зрения

D – расстояние, на котором нормальный глаз видит данный ряд

d – расстояние, с которого производится исследование

D и V указаны в таблицах для проверки зрения.

солнечные лучи создают освещенности ~105 лк.
В полной темноте глаз

Процесс приспособления глаза к тому или иному уровню яркости света называется адаптацией.

Повышение яркости – световая адаптация, понижение – темновая адаптация.

палочек. Чувствительность колбочек изменяется незначительно 10-100 раз.
Происходит много быстрее. При

Темновая адаптация

При переходе из освещенных помещений в темноту чувствительность глаза возрастает в течение часа примерно в 10 миллионов раз.

Сначала чувствительность возрастает очень быстро, затем её рост замедляется.

Световая адаптация

нейронов сетчатки и зрительного пути происходит частичное гашение интенсивных электромагнитных

3. Фотохимический.

На сетчатке происходит преобразование энергии светового потока в электрическую возбуждения нервных клеток. Для возбуждения светочувствительных рецепторов необходимо, чтобы они поглощали свет. Данный процесс осуществляет светочувствительный пигмент (родопсин или зрительный пурпур). На свету он разлагается (выцветает) – чувствительность глаза снижается, в темноте восстанавливается – чувствительность возрастает.

Общий курс физики. Т.IV. Оптика. 2005.
1. Лекции преподавателей ЯГМА (Дигурова

3. Федорова В.Н., Степанова Л.А. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии. Лекции и семинары: Учебное пособие. 2005.