Contribution to International Economy

  • РАСЧЁТ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОСТОГО МИКРОСКОПА
СОДЕРЖАНИЕ
1 Введение
2 Оптическая схема, принцип действия и основные узлы микроскопа
3 Аналитический обзор
4 Основные теоретические положения
5 Габаритный расчет
5.1 Расчет объектива и окуляра в тонких компонентах.
5.2 Выбор объектива и окуляра по каталогу
5.3 Переход к толстым линзам
5.4 Построение оптической схемы в толстых компонентах
6 Вывод
7 Приложение
Перечень используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ
Микроскоп (от микро... и греч. skopéo — смотрю), оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм) минимальное разрешение составляет примерно 0,08 мм (а у многих людей — около 0,20 мм). Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы различных типов. С помощью микроскопа определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. микроскоп даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм.
Микроскоп - оптико-механический прибор основной функциональной частью которого является его оптическая система.
Микроскоп как измерительное устройство расширяет границы наших познаний. Микроскоп позволяет непосредственно наблюдать новые явления, устанавливать закономерности и затем от абстрактного мышления переходить к практике, к познанию объективной реальности. Приборами являются устройства, обеспечивающие наблюдение, измерение, контроль вычисления, регистрацию, регулирование, управление, защиту, блокировку и т.п. Приборы основанные на использовании каких-либо явлений или свойств света, являются оптическими.
Существует разнообразные оптические приборы, например; микроскоп и телескоп, киноаппарат, интерферометр, фотометры и офтальмологические приборы и применяются они в различных отраслях техники применяются. В этих приборах оптические системы исполняют основную функции для которой прибор предназначен.
Все оптические приборы бывают оптико-механическими и оптикоэлектронными.
Микроскоп является оптикомеханическим прибором. Все оптические системы можно разделить на три группы:
телескопические:
микроскопические:
проекционные.
Телескопические системы предназначены для создания изображения бесконечно удаленного предмета.
Микроскопические системы предназначены для создания близко расположенного предмета.
И телескопические и микроскопические системы являются визуальными, т.е. работающими совместно с глазом, поэтому после этих систем луч идет параллельным пучком.
Проекционные системы создают изображение на экране, которые поток рассматриваются глазом.
2 Оптическая схема, принцип действия и основные узлы микроскопа
Свойство системы из двух линз - давать увеличенное изображение предметов было известно уже в 16 веке в Нидерландах и Северной Италии мастерам, изготавливающим очковые стекла. Имеются сведения, что около 1590 г. приборы типа микроскопа были построены З. Янсеном /Нидерланды/. Быстрое распространение микроскопа и их совершенствование, главным образом ремесленнками-оптиками, начинается с 1609-1810гг., когда Г.Галилей, изучая сконструированную им зрительную трубу, использовал ее в качестве микроскопа, изменяя расстояние между объективом и окуляром. Первые блестящие успехи применения микроскопа в научных исследованиях связаны с именем Р. Гука / около 1665г.; в частности, он установил, что животные и растительные ткани имеют клеточное строение/ и особенно Й.Левенгука, открывшего с помощью микроскопа микроорганизмы /1673-1677гг./, В начале 18 века микроскопы появились в России: здесь Л.Эйлер /1762г; "Диоптрика" 1770-1771гг./ разработал методы расчета оптических узлов микроскопа, В 1872г. Дж. Б.Амичи впервые применил в микроскопе иммерсионный объектив. В 1850Гг. английский оптик Г.Сорби создал первый микроскоп для наблюдения объектов в поляризованном свете.
Широкому развитию методов микроскопических исследований и совершенствованию различных типов микроскопов во 2-й половине 19 и 20 вв. в значительной степени способствовала научная деятельность Э.йббе, который разработал /1872-1873гг,/ ставшую классической теорию образования изображений не самосветящихся объектов в микроскопе, Английский ученый Дж. Сиркс в 1893г. положил начало интеро-ферекционной микроскопии. В 1903г. австрийские исследователи Р. Зигмунди и Г. Зидентопор создали ультрамикроскоп. В 1935г. Ф.Цернике предложил метод фазового контраста для наблюдения в микроскоп прозрачно слаборассеивающих свет объектов. Большой вклад в теорию и практику микроскопии внесли современные ученые - Л.И. Мандельштам, Д.С. Рождественский» А.А. Лебедев, В.П. Линник.
Одна из типичных схем М. приведена на рис. 1. Рассматриваемый объект (препарат) 7 располагают на предметном стекле 10. Конденсор 6 концентрирует на объекте пучок света, отражающегося от зеркала 4. Источником света в М. чаще всего служит специальный осветитель, состоящий из лампы и линзы-коллектора (соответственно 1 и 2 на рис.); иногда зеркало направляет на объект обычный дневной свет. Диафрагмы — полевая 3 и апертурная 5 ограничивают световой пучок и уменьшают в нём долю рассеянного света, попадающего на препарат «со стороны» и не участвующего в формировании изображения.
Возникновение изображения препарата в М. в основных (хотя и наиболее простых) чертах можно описать в рамках геометрической оптики. Лучи света, исходящие от объекта 7, преломляясь в объективе 8, создают перевёрнутое и увеличенное действительное изображение оптическое 7’ объекта. Это изображение рассматривают через окуляр 9. При визуальном наблюдении М. фокусируют так, чтобы 7' находилось непосредственно за передним фокусом окуляра Foк. В этих условиях окуляр работает как лупа: давая дополнительное увеличение, он образует мнимое изображение 7’’ (по-прежнему перевёрнутое); проходя через оптические среды глаза наблюдателя, лучи от 7’’ создают на сетчатке глаза действительное изображение объекта. Обычно 7’’ располагается на расстоянии наилучшего видения D от глаза. Если сдвинуть окуляр так, чтобы 7' оказалось перед Foк, то изображение, даваемое окуляром, становится действительным и его можно получить на экране или фотоплёнке; по такой схеме производят, в частности, фото- и киносъёмку микроскопических объектов
Основные узлы микроскопа. В большинстве типов М. (за исключением инвертированных, см. ниже) над предметным столиком, на котором закрепляют препарат, располагается устройство для крепления объективов, а под столиком устанавливается конденсор. Любой М. имеет тубус (трубку), в котором устанавливаются окуляры; обязательной принадлежностью М. являются также механизмы для грубой и точной фокусировки (осуществляемой путём изменения относительного положения препарата, объектива и окуляра). Все эти узлы крепятся на штативе или корпусе М.

Рисунок 2 Оптическая схема микроскопа
Тип применяемого конденсора зависит от выбора метода наблюдения. Светлопольные конденсоры и конденсоры для наблюдения по методу фазового или интерференционного контраста представляют собой сильно отличающиеся одна от другой двух- или трёхлинзовые системы. У светлопольных конденсоров числовая апертура может достигать 1,4; в их состав входит апертурная ирисовая диафрагма, которая иногда может смещаться в сторону для получения косого освещения препарата. Фазово-контрастные конденсоры снабжены кольцевыми диафрагмами. Сложными системами из линз и зеркал являются темнопольные конденсоры. Отдельную группу составляют эпиконденсоры — необходимые при наблюдении по методу тёмного поля в отражённом свете системы кольцеобразных линз и зеркал, устанавливаемых вокруг объектива. В УФ микроскопии применяются специальные зеркально-линзовые и линзовые конденсоры, прозрачные для ультрафиолетовых лучей.
Объективы в большинстве современных М. сменные и выбираются в зависимости от конкретных условий наблюдения. Часто несколько объективов закрепляются в одной вращающейся (т. н. револьверной) головке; смена объектива в этом случае осуществляется простым поворотом головки. По степени исправления хроматической аберрации различают микрообъективы ахроматы и апохроматы. Первые наиболее просты по устройству; хроматическая аберрация в них исправлена только для двух длин волн, и изображение при освещении объекта белым светом остаётся слегка окрашенным. В апохроматах эта аберрация исправлена для трёх длин волн, и они дают бесцветные изображения. Плоскость изображения у ахроматов и апохроматов несколько искривлена. Аккомодация глаза и возможность просмотра всего поля зрения с помощью перефокусировки М. отчасти компенсируют этот недостаток при визуальном наблюдении, однако он сильно сказывается при микрофотографировании — крайние участки изображения получаются нерезкими. Поэтому широко используют микрообъективы с дополнительным исправлением кривизны поля — планахроматы и планапохроматы. В сочетании с обычными объективами применяют специальные проекционные системы — гомали, вставляемые вместо окуляров и исправляющие кривизну поверхности изображения (для визуального наблюдения они непригодны).
Кроме того, микрообъективы различаются: а) по спектральным характеристикам — на объективы для видимой области спектра и для УФ и ИК микроскопии (линзовые или зеркально-линзовые); б) по длине тубуса, на которую они рассчитаны (в зависимости от конструкции М.), — на объективы для тубуса 160 мм, для тубуса 190 мм и для т. н. «длины тубуса бесконечность» (последние создают изображение «на бесконечности» и применяются совместно с дополнительной — т. н. тубусной — линзой, переводящей изображение в фокальную плоскость окуляра); в) по среде между объективом и препаратом — на сухие и иммерсионные; г) по методу наблюдения — на обычные, фазово-контрастные, интерференционные и др.; д) по типу препаратов — для препаратов с покровным стеклом и без него. Отдельный тип представляют собой эпиобъективы (сочетание обычного объектива с эпиконденсором). Многообразие объективов обусловлено разнообразием методов микроскопических наблюдений и конструкций М., а также различиями в требованиях к исправлению аберраций в разных условиях работы. Поэтому каждый объектив можно применять только в тех условиях, для которых он рассчитан. Например, объективом, рассчитанным для тубуса 160 мм, нельзя пользоваться в М. с длиной тубуса 190 мм; с объективом для препаратов с покровным стеклом нельзя наблюдать препараты без покровного стекла. Особенно важно соблюдать расчётные условия при работе с сухими объективами больших апертур (А > 0,6), которые очень чувствительны ко всяким отклонениям от нормы. Толщина покровных стекол при работе с этими объективами должна быть равна 0,17 мм. Иммерсионный объектив можно использовать только с той иммерсией, для которой он рассчитан.
Тип применяемого окуляра при данном методе наблюдения определяется выбором объектива М. С ахроматами малых и средних увеличении используют окуляры Гюйгенса, с апохроматами и ахроматами больших увеличений — т. н. компенсационные окуляры, рассчитываемые так, чтобы их остаточная хроматическая аберрация была другого знака, чем у объективов, что улучшает качество изображения. Кроме того, существуют специальные фотоокуляры и проекционные окуляры, которые проектируют изображение на экран или фотопластинку (сюда же можно отнести упомянутые выше гомали). Отдельную группу составляют кварцевые окуляры, прозрачные для УФ лучей.
Разнообразные принадлежности к М. позволяют улучшить условия наблюдения и расширить возможности исследований. Осветители различных типов предназначены для создания наилучших условий освещения; окулярные микрометры служат для измерения размеров объектов; бинокулярные тубусы дают возможность наблюдать препарат одновременно двумя глазами; микрофотонасадки и микрофотоустановки применяются при микрофотографии; рисовальные аппараты дают возможность зарисовывать изображения. Для количественных исследований применяются специальные устройства (например, микроспектрофотометрические насадки).
3 Аналитический обзор
Конструкция М., его оснащение и характеристики основных узлов определяются либо областью применения, кругом проблем и характером объектов, для исследования которых он предназначен, либо методом (методами) наблюдения, на которые он рассчитан, либо же и тем и другим вместе. Всё это привело к созданию различных типов специализированных М., позволяющих с высокой точностью изучать строго определённые классы объектов (или даже только некоторые определённые их свойства). С другой стороны, существуют т. н. универсальные М., с помощью которых можно различными методами наблюдать различные объекты.
Биологические М. относятся к числу наиболее распространённых. Они применяются для ботанических, гистологических, цитологических, микробиологических, медицинских исследований, а также в областях, не связанных непосредственное биологией, — для наблюдения прозрачных объектов в химии, физике и т. д. Существует много моделей биологических М., отличающихся конструктивным оформлением и дополнительными принадлежностями, которые существенно расширяют круг изучаемых объектов. К этим принадлежностям относятся: сменные осветители проходящего и отражённого света; сменные конденсоры для работы по методам светлого и тёмного полей; фазово-контрастные устройства; окулярные микрометры; микрофотонасадки; наборы светофильтров и поляризационных устройств, позволяющие в обычном (неспециализированном) М. применять технику люминесцентной и поляризационной микроскопии. Во вспомогательном оборудовании для биологическиого М. особенно важную роль играют средства микроскопической техники, предназначенные для подготовки препаратов и проведения с ними различных операций, в том числе и непосредственно в процессе наблюдения.
Биологические исследовательские М. оснащаются набором сменных объективов для различных условий и методов наблюдения и типов препаратов, в том числе эпиобъективами для отражённого света и зачастую фазово-контрастными объективами. Набору объективов соответствует комплект окуляров для визуального наблюдения и микрофотографирования. Обычно такие М. имеют бинокулярные тубусы для наблюдения двумя глазами.
Кроме М. общего назначения, в биологии широко используются и различные М., специализированные по методу наблюдения
Инвертированные М. отличаются тем, что объектив в них располагается под наблюдаемым предметом, а конденсор — сверху. Направление хода лучей, прошедших сверху вниз через объектив, изменяется системой зеркал, и в глаз наблюдателя они попадают, как обычно, снизу вверх (рис. 2).

Рисунок 2 - Схема инвертированного микроскопа
М. этого типа предназначены для исследования громоздких объектов, которые трудно или невозможно расположить на предметных столиках обычных М. В биологии с помощью таких М. изучают находящиеся в питательной среде культуры тканей, которые помещают в термостатирующую камеру для поддержания заданной температуры. Инвертированные М. применяют также для исследования химических реакций, определения точек плавления материалов и в других случаях, когда для осуществления наблюдаемых процессов требуется громоздкое вспомогательное оборудование. Для микрофотографирования и микрокиносъёмки инвертированные М. снабжают специальными устройствами и камерами.
Особенно удобна схема инвертированного М. для наблюдения в отражённом свете структур различных поверхностей. Поэтому она применяется в большинстве металлографических М. В них образец (шлиф металла, сплава или минерала) устанавливается на столике полированной поверхностью вниз, а остальная его часть может иметь произвольную форму и не требует какой-либо обработки. Существуют также металлографические М., в которых объект располагают снизу, закрепляя его на специальной пластине; взаимное положение узлов в таких М. то же, что и в обычных (неинвертированных) М. Изучаемая поверхность часто предварительно протравливается, благодаря чему зёрна её структуры становятся резко отличимыми друг от друга. В М. этого типа можно использовать метод светлого поля при прямом и косом освещении, метод тёмного поля и наблюдение в поляризованном свете. При работе в светлом поле объектив одновременно служит и конденсором. Для темнопольного освещения применяются зеркальные параболические эпиконденсоры. Введение специального вспомогательного устройства позволяет осуществить фазовый контраст в металлографических М. с обычным объективом (рис. 3).

Рисунок 3 – Металлографические микроскопы
Люминесцентные М. оснащаются набором сменных светофильтров, подбирая которые можно выделить в излучении осветителя часть спектра, возбуждающую люминесценцию конкретного исследуемого объекта. Подбирается также светофильтр, пропускающий от объекта только свет люминесценции. Свечение многих объектов возбуждается УФ лучами или коротковолновой частью видимого спектра; поэтому источниками света в люминесцентных М. служат дающие именно такое (и очень яркое) излучение ртутные лампы сверхвысокого давления. Помимо специальных моделей люминесцентных М., имеются люминесцентные устройства, используемые совместно с обычными М.; они содержат осветитель с ртутной лампой, набор светофильтров и т. н. опак-иллюминатор для освещения препаратов сверху.
Ультрафиолетовые и инфракрасные М. служат для исследований в невидимых для глаза областях спектра. Их принципиальные оптические схемы аналогичны схеме обычных М. Из-за большой сложности исправления аберраций в УФ и ИК областях конденсор и объектив в таких М. часто представляют собой зеркально-линзовые системы, в которых существенно уменьшается или полностью отсутствует хроматическая аберрация. Линзы изготовляются из материалов, прозрачных для УФ (кварц, флюорит) или ИК (кремний, германий, флюорит, фтористый литий) излучения. Ультрафиолетовые и инфракрасные М. снабжены фотокамерами, в которых фиксируется невидимое изображение; визуальное наблюдение через окуляр в обычном (видимом) свете служит, когда это возможно, лишь для предварительной фокусировки и ориентировки объекта в поле зрения М. Как правило, в этих М. имеются электроннооптические преобразователи, превращающие невидимое изображение в видимое.
Поляризационные М. предназначены для изучения (с помощью оптических компенсаторов) изменений в поляризации света, прошедшего через объект или отражённого от него, что открывает возможности количественного или полуколичественного определения различных характеристик оптически активных объектов. Узлы таких М. обычно выполняются так, чтобы облегчить точные измерения: окуляры снабжаются перекрестием, микрометрической шкалой или сеткой; вращающийся предметный столик — угломерным лимбом для измерения угла поворота; часто на предметном столике крепится Федорова столик, дающий возможность произвольно поворачивать и наклонять препарат для нахождения кристаллографических и кристаллооптических осей. Объективы поляризационных М. специально подбираются так, чтобы в их линзах отсутствовали внутренние напряжения, приводящие к деполяризации света. В М. этого типа обычно имеется включаемая и выключаемая вспомогательная линза (т. н. линза Бертрана), используемая при наблюдениях в проходящем свете; она позволяет рассматривать интерференционные фигуры, образуемые светом в задней фокальной плоскости объектива после прохождения через исследуемый кристалл.
С помощью интерференционных М. наблюдают прозрачные объекты по методу интерференционного контраста; многие из них конструктивно аналогичны обычным М., отличаясь лишь наличием специального конденсора, объектива и измерительного узла. Если наблюдение производится в поляризованном свете, то такие М. снабжаются поляризатором и анализатором. По области применения (главным образом биологические исследования) эти М. можно отнести к специализированным биологическим М. К интерференционным М. часто относят также микроинтерферометры — М. особого типа, применяемые для изучения микрорельефа поверхностей обработанных металлических деталей.
Стереомикроскопы. Бинокулярные тубусы, используемые в обычных М., при всём удобстве наблюдения двумя глазами не дают стереоскопического эффекта: в оба глаза попадают в этом случае под одинаковыми углами одни и те же лучи, лишь разделяемые на два пучка призменной системой. Стереомикроскопы, обеспечивающие подлинно объёмное восприятие микрообъекта, представляют собой фактически два М., выполненных в виде единой конструкции так, что правый и левый глаза наблюдают объект под разными углами. Наиболее широкое применение такие М. находят там, где требуется производить какие-либо операции с объектом в ходе наблюдения (биологического исследования, хирургической операции на сосудах, мозге, в глазу — микрургия, сборка миниатюрных устройств, например транзисторов), — стереоскопическое восприятие облегчает эти операции. Удобству ориентировки в поле зрения М. служит и включение в его оптическую схему призм, играющих роль оборачивающих систем; изображение в таких М. прямое, а не перевёрнутое. Так как угол между оптическими осями объективов в стереомикроскопах обычно £ 12°, их числовая апертура, как правило, не превышает 0,12. Поэтому и полезное увеличение таких М. бывает не более 120.
М. сравнения состоят из двух конструктивно объединённых обычных М. с единой окулярной системой. Наблюдатель видит в двух половинах поля зрения такого М. изображения сразу двух объектов, что позволяет непосредственно сравнить их по цвету, структуре и распределению элементов и другим характеристикам. М. сравнения широко применяются при оценке качества обработки поверхностей, определении сортности (сравнение с эталонным образцом) и т. д. Специальные М. такого типа используют в криминологии, в частности для идентификации оружия, из которого выпущена исследуемая пуля.
В телевизионных М., работающих по схеме микропроекции, изображение препарата преобразуется в последовательность электрических сигналов, которые затем воспроизводят это изображение в увеличенном масштабе на экране электроннолучевой трубки (кинескопа). В таких М. можно чисто электронным путём, изменяя параметры электрической цепи, по которой проходят сигналы, менять контраст изображения и регулировать его яркость. Электрическре усиление сигналов позволяет проектировать изображения на большой экран, в то время как обычная микропроекция требует для этого чрезвычайно сильного освещения, часто вредного для микроскопических объектов. Большое достоинство телевизионных М. заключается в том, что с их помощью можно дистанционно изучать объекты, близость к которым опасна для наблюдателя (например, радиоактивные).
При многих исследованиях необходимо вести счёт микроскопических частиц (например, бактерий в колониях, аэрозолей, частиц в коллоидных растворах, клеток крови и т. д.), определять площади, занимаемые зёрнами одного и того же рода в шлифах сплава, и производить др. аналогичные измерения. Преобразование изображения в телевизионных М. в серию электрических сигналов (импульсов) дало возможность построить автоматические счётчики микрочастиц, регистрирующие их по числу импульсов.
Назначение измерительных М. состоит в точном измерении линейных и угловых размеров объектов (зачастую совсем не малых). По способу измерения их можно разделить на два типа. Измерительные М. 1-го типа применяются только в тех случаях, когда измеряемое расстояние не превышает линейных размеров поля зрения М. В таких М. непосредственно (с помощью шкалы или винтового окулярного микрометра) измеряется не сам объект, а его изображение в фокальной плоскости окуляра, и лишь затем, по известному значению увеличения объектива, вычисляется измеренное расстояние на объекте. Часто в этих М. изображения объектов сравниваются с образцовыми профилями, нанесёнными на пластинки сменных окулярных головок. В измерительных М. 2-го типа предметный столик с объектом и корпус М. можно с помощью точных механизмов перемещать друг относительно друга (чаще — столик относительно корпуса); измеряя это перемещение микрометрическим винтом или шкалой, жестко скрепленной с предметным столиком, определяют расстояние между наблюдаемыми элементами объекта. Существуют измерительные М., у которых измерение производится лишь в одном направлении (однокоординатные М.). Гораздо более распространены М. с перемещениями предметного столика в двух перпендикулярных направлениях (пределы перемещений до 200´500 мм); для специальных целей применяются М., в которых измерения (а следовательно, и относительные перемещения столика и корпуса М.) возможны в трёх направлениях, соответствующих трём осям прямоугольных координат. На некоторых М. можно проводить измерения в полярных координатах; для этого предметный столик делают вращающимся и снабжают шкалой и нониусом для отсчёта углов поворота. В наиболее точных измерительных М. 2-го типа употребляются стеклянные шкалы, а отсчёты на них осуществляются с помощью вспомогательного (т. н. отсчётного) микроскопа. Точность измерений в М. 2-го типа значительно выше по сравнению с М. 1-го типа. В лучших моделях точность линейных измерений обычно порядка 0,001 мм, точность измерения углов — порядка 1'. Измерительные М. 2-го типа широко применяются в промышленности (особенно в машиностроении) для измерения и контроля размеров деталей машин, инструментов и пр.
В устройствах для особо точных измерений (например, геодезических, астрономических и т. д.) отсчёты на линейных шкалах и разделённых кругах угломерных инструментов производят с помощью специальныхотсчётных М. — шкаловых М. и М.-микрометров. В первых имеется вспомогательная стеклянная шкала. Её изображение регулировкой увеличения объектива М. делают равным наблюдаемому интервалу между делениями основной шкалы (или круга), после чего, отсчитывая положение наблюдаемого деления между штрихами вспомогательной шкалы, можно непосредственно определить его с точностью около 0,01 интервала между делениями. Ещё выше точность отсчётов (порядка 0,0001 мм) в М.-микрометрах, в окулярной части которых помещен нитяной или спиральный микрометр. Увеличение объектива регулируют так, чтобы перемещению нити между изображениями штрихов измеряемой шкалы соответствовало целое число оборотов (или полуоборотов) винта микрометра.
Помимо описанных выше, имеется значительное число ещё более узко специализированных типов М., например М. для подсчёта и анализа следов элементарных частиц и осколков деления ядер в ядерных фотографических эмульсиях, высокотемпературные М. для изучения объектов, нагретых до температуры порядка 2000 °С, контактные М. для исследования поверхностей живых органов животных и человека (объектив в них прижимается вплотную к изучаемой поверхности, а фокусировка М. производится специальной встроенной системой).
Часто М. в качестве важной составной части используются в сложных установках в сочетании с другими приборами. Примерами могут служить предназначенные для определения спектров поглощения препаратов микроспектрофотометрические установки, в которых М. объединены со специальными монохроматорами и устройствами, измеряющими световые потоки; ряд приборов, применяемых в офтальмологии; компараторы, микрофотометры и многие др.
4 Основные теоретические положения расчёта
4.1 Принципиальная оптическая схема.
- Ход лучей,
4.2 Основные оптические характеристики.
- Увеличение.
- Поле зрения.
- Числовая апертура.
4.3 Разрешающая способность. Полезное увеличение.
4.4. Зрачки микроскопа.
4.1. Микроскоп, как и лупа, предназначен для увеличенного рассматривания -мелких -предметов. В отличие от лупы микроскоп дает перевернутое изображение и может обеспечить большее увеличение, чем лупа. Оптическая система микроскопа состоит из объектива /ближе к объекту/ и окуляра /ближе к глазу/. Объектив создает увеличенное перевернутое изображение предмета, которое глаз рассматривает через окуляр, как через лупу.

Рисунок 4 Принципиальная схема простого микроскопа, состоящая из объектива и окуляра
На рисунке 4 показан ход лучей в микроскопе, причем объектив и окуляр условно изображены в виде одиночных тонких линз. Предмет АВ расположен между 2Fоб и Fоб , чтобы объектив создавал увеличенное изображение действительное и перевернутое. Это изображение А'В должно находится в переднем фокусе окуляра, или вблизи него. Это промежуточное изображение является предметом для окуляра, который работает как лупа и дает увеличенное изображение предмета в ∞ (или на расстоянии наилучшего видения, когда А'В' за Fок)
В передней фокальной плоскости окуляра F может быть расположена сетка, которую рассматривают через окуляр одновременно с изображением объекта, чтобы оценить размеры предмета.
Расстояние между задним фокусом объектива Fоб и передним фокусом окуляра Fок называется оптическим интервалом , или применительно к микроскопу - оптической длиной тубуса микроскопа.
4.2. Основные оптические характеристики;
- видимое увеличение Г,
- линейное поле 2У,
- числовая апертура А.
Видимое увеличение.
Для определенности будем считать, что изображение в ∞ , тогда предмет должен быть расположен в передней фокусной плоскости микроскопа Fм. Поэтому можно считать, что действие микроскопа равносильно действию лупы с фокусным расстоянием
Поэтому:
Из формул для эквивалентной оптической системы, известно, что

Линейное поле 2У микроскопа ограничивается диаметром полевой диафрагмы, где получается действительное промежуточное изображение предмета.

С другой стороны диаметр полевой диафрагмы зависит от углового поля окуляра 2ок

Приравнивая правые части этих выражений получим:

Числовая апертура.
Характеризует светосилу и разрешающую способность. Числовая апертура

Увеличив "n" увеличим А. Поэтому применяют так называемые иммерсионные объективы микроскопов. Установим зависимость между апертурой, диаметром выходного зрачка и увеличением микроскопа.

Разрешающая способность микроскопа выражается в линейной мере и определяется min расстоянием  между двумя светящимися точками предмета, раздельно видимыми в микроскопе.
Из дифракционной теории образования изображения известно, что

 - длина волны монохроматического света, в котором осуществляется наблюдение. Наименьшее разрежаемое расстояние между двумя точками в пространстве изображений:
Чтобы  было различимо глазом, оно должно соответствовать его разрешающей способности. При наблюдении в микроскоп из-за недостаточного контраста изображения и малого диаметра выходного зрачка предельный угол разрешения глаза принимается несколько большим 1, а именно от 2 до 4. Если изображение  рассматривается с расстояния наилучшего видения, то линейный размер этого изображения должен соответствовать:
250 • sin 2' = 0,15 мм и 250 • sin 4'= 0.3 мм
Таким образом можно составить неравенство:

Полагая =0,00055 мм
529 A < Г < 1058 A
или с достаточной степенью точности:
500 A < Г < 1000 A
Увеличение, удовлетворяющее этому неравенству называют полезным увеличением микроскопа. Применение микроскопа, увеличение которого меньше 500 А не дает возможности различить все те детали, которые разрешают объектив с апертурой А.
Выбирать увеличение большее 1000 А не целесообразно, так как большее увеличение не обеспечивает выявление каких-либо новых деталей в изображении предмета по сравнению с тем, какие различаются при полезном увеличении.
Зрачки микроскопа.
В сложных объективах микроскопа апертурной диафрагмой является оправа одной из последних линз объектива или специальная диафрагма, установленная вблизи заднего фокуса объектива или в его заднем фокусе Роб. Так как апертурная диафрагма находится за объективом, то она же будет выходным зрачком объектива. Если апертурная диафрагма находится в Fоб, то точка входного зрачка объектива, а следовательно и микроскоп находится в &#8734;.
Выходной зрачок объектива /в Fоб/ является входным зрачком окуляра, а выходной зрачок окуляра является выходным зрачком всего микроскопа, так как входной зрачок окуляра и выходной зрачок сопряжены то:

Так как Z'Fок всегда больше нуля, то выходной зрачок микроскопа всегда находится за окуляром и может быть совмещен со зрачком глаза наблюдателя. Диаметр зрачка глаза больше диаметра выходного зрачка микроскопа и не ограничивает пучки лучей
5 ГАБАРИТНЫЙ РАСЧЕТ
5.1. Расчет объектива и окуляра в тонких компонентах.
5.2. Выбор объектива и окуляра по каталогу.
5.3. Переход к толстым линзам .
5.4 Построение оптической схемы в толстых компонентах.
5.1 Для габаритного расчета оптической схемы микроскопа задано:
увеличение микроскопа Гм = -40х
поле зрения микроскопа 2У = 2
- апертура А = 0.15
- оптическая длина тубуса L = 180
В результате габаритного расчета нужно определить те параметры, на основании которых можно выбрать имеющиеся в каталогах объектив и окуляр расстояние между ними и расстояние от предмета до объектива, так как в начале расчета будем вести в тонких компонентах. то нужно определить;


Распределим увеличение всего микроскопа между объективом и окуляром исходя из формулы:
Гм = &#61538;об• Гок
&#61538;об * Гок = -40Х
Так как Гок следует выбирать из нормального ряда окуляра:
Г = 4Х , Г = 7Х, Г = 10Х , то выбирают Гок =10Х, тогда

Находим f /об по формуле:
(мм)

Апертура для объектива равна апертуре микроскопа:

Найдём

При прочерчивании хода луча в масштабе на миллиметровке для системы в тонких компонентах необходимо определить высоту падения осевого луча на объектив hоб


Диаметр полевой диафрагмы

5.2 Объектив выбирают по увеличению &#61538; и апертуре А. Для моего объектива &#61538;= -4х А= 0,15 в каталоге объективы имеющие близкие к моим характеристикам такие: объектив N1 &#61538;= -3х , А = 0,1 ; объектив N2 &#61538;= -10х , A = 0,3.
Объектив N1 не подходит по A так как моя A больше, поэтому выбираю объектив N2.

Рисунок 5 - Схема ахроматического объектива
Окуляр выбираем по полю зрения 21 и увеличению Г.

Рисунок 6 - Оптическая схема и ход лучей в микроскопе с окуляром Гюйгенса
Для моего окуляра Г = 10х; 21 = 16, в каталоге окуляры, имеющие близкие к моим характеристики такие: окуляр N1 - Г =4х , 21 = 24: окуляр N2 - Г – 7х , 21 - 18: окуляр N3 - Г = .10х , 21 =14
Выбираю окуляр N3, т.к. увеличение Г = 10х, а оно равно данному,

Рисунок 7 - Окуляры микроскопов
Чтобы знать оптические характеристики нужного нам объектива SF , S/F’ и конструктивные параметры (г,d,n) нужно определить коэффициент пересчета:


Тогда для моего объектива получаю следующие данные:
объектив
SF = -6,15*1,82 = -11,2
S/F = -7,15*1,82 = -13,0
r1 = *1,82 = 0 d1=1,3*1,82=2,37
r2 =-12*1,82 = -21,84 d2=1,0*1,82=1,82
r3 =-280*1,82 = -509,6 d3=1*1,82=1,82
r4 =11*1,82 = 20,02 d4=1,4*1,82=2,548
r5 =-10*1,82 = -18,2 d5=15.7*1,82=28,57
r6 =48*1,82 = 87,36 d6=1,0*1,82=1,82
r7 =12*1,82 = 21,84 d7=3,0*1,82=5,46
r8 =-25*1,82 = -45,5
окуляр
SF = 10,2
S/F = 5,6
r1 =24,1 d1=3 n1 = 1,0
r2 = d2=25,9 n2 = 1,62
r3 =10,2 d3=2,5 n3 = 1,0
r4 = n4 = 1,52
n5 = 1,0

5.3 Теперь на тонкие компоненты "одеваю" толстые. Начну с объектива. От Ноб откладывав вправо, f / об, который равен 25 мм, влево от f / об, который равен 25 мм. влево от F 'об откладывав S' F ', что равен -13,0 мм, получаю вершину восьмой поверхности объектива радиусом 40.
Далее через объектив, для этого справа налево откладывав расстояние d7 = 5,46 мм, провожу поверхность r7 = 21,84. снова откладывав d6 = 1,82. провожу поверхность r6 = 87,36. Все расстояния от первой поверхности объектива до последней равен Отложив от последней поверхности r8 расстояние d получу первую поверхность объектива r1 = 0.от r1 откладывав d1 = 2,37, получаю вторую поверхность r2 = -21,84, d2 = 1,82, r3 = = -509,6; d3 = 1,82, r4 = 20,02; d4 = 2,548, r5 = -18,2.
От первой поверхности объектива откладываю -Sf = 11,2, получал передний фокус Fоб. От переднего фокуса откладываю - f = 25 и провожу переднюю главную плоскость Ноб. Начертив объектив, перехожу к "одеванию" окуляра, для этого влево откладываю -fок = 25 мм. получаю Fок. от Fок влево откладывая Sf = - 11,2, получаю первую поверхность окуляра r1 = 24.1; от r1 вправо откладывав расстояние d1 = 3, получаю вторую поверхность окуляра r2 = 0. От второй вершины окуляра откладывай d2 = 25,9, получаю третью вершину окуляра. Вправо от третьей вершины откладываю dЗ = 2,5 получаю четвертую вершину окуляра от нее вправо откладываю S'f' = 5,0. получаю F'ок, от F'ок провожу отрезок f'ок. получаю заднюю главную плоскость.
5.4 Строю оптическую схему в тонких компонентах с ходом луча

Пускаю лучи из осевой и вне осевой точки, через объектив и окуляр. Изображение после объектива получается увеличенным, перевернутым, прямым, которое окуляр покажет с увеличением
ВЫВОД
Таким образом в результате габаритного расчёта микроскопа со следующими данными:
Гм = -40х
2У = 2
А = 0.15
L = 180
Я принимаю объектив и окуляр со следующими параметрами:
SF = -6,15*1,82 = -11,2
S/F = -7,15*1,82 = -13,0
r1 = *1,82 = 0 d1=1,3*1,82=2,37
r2 =-12*1,82 = -21,84 d2=1,0*1,82=1,82
r3 =-280*1,82 = -509,6 d3=1*1,82=1,82
r4 =11*1,82 = 20,02 d4=1,4*1,82=2,548
r5 =-10*1,82 = -18,2 d5=15.7*1,82=28,57
r6 =48*1,82 = 87,36 d6=1,0*1,82=1,82
r7 =12*1,82 = 21,84 d7=3,0*1,82=5,46
r8 =-25*1,82 = -45,5
окуляр
SF = 10,2
S/F = 5,6
r1 =24,1 d1=3 n1 = 1,0
r2 = d2=25,9 n2 = 1,62
r3 =10,2 d3=2,5 n3 = 1,0
r4 = n4 = 1,52
n5 = 1,0

При этом расстояние между объективом и окуляром должно быть Lc = 165, между предметом первой поверхности объектива –аоб = 35 мм, при расстоянии от последней поверхности окуляра до выходного зрачка S'p' = 31.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.– М.: Наука, 1970.
2. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов.– Л: Машиностроение, 1983.
3. "Теория оптических систем" Б. Н. Бегунов, Н. П. Заказнов издательство М., "Машиностроение", 1973, стр. 9 - 11, 268 - 294
4. Физический энциклопедический словарь: - т. 3 - М.:
"Советская энциклопедия", 1963, стр. 234 - 243.
5. БСЭ. (в 30 томах) Гл. редактор А. М. Проходов. Издание
3-е. М., : "Советская энциклопедия", 1974 т. 16, стр. 235 - 241
6. ГОСТ 7427 - 76 "Геометрическая оптика".
7. Михель К., Основы теории микроскопа, пер. с нем., М., 1955
8. Ринне Ф., Берек М., Оптические исследования при помощи поляризационного микроскопа, пер. с нем., М., 1937.
9. Микроскопы, под ред. Н. И. Полякова, М., 1969.
10. Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 1—2, М. — Л., 1948—52.
11. Франсон М., Фазово-контрастный и интерференционный микроскопы, пер. с франц., М., 1960.
12. Федин Л. А., Микроскопы, принадлежности к ним и лупы, М., 1961.
13. Федин Л. А., Барский И. Я., Микрофотография, Л., 1971.
14 Федин Л. А Оптические приборы для измерения линейных и угловых величин в машиностроении, М., 1964.


Другие работы по теме: