광학현미경의 주요 응용분야 소개
광학 현미경은 고대의 젊은 과학 도구입니다. 탄생한지 300년의 역사를 가지고 있습니다. 광학현미경의 용도는 다양합니다. 예를 들어 생물학, 화학, 물리학, 천문학 등 일부 과학 연구 작업에서는 현미경과 분리될 수 없습니다.
다양한 적용 목적에 따라 현미경은 크게 생물학적 현미경, 금속 현미경, 실체 현미경, 편광 현미경의 네 가지 범주로 분류됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 생물현미경은 주로 생물의학에 사용되며, 관찰 대상은 대부분 투명하거나 반투명한 미세체입니다. 금속 조직 현미경은 주로 금속 조직 구조 및 재료의 표면 결함과 같은 불투명한 물체의 표면을 관찰하는 데 사용됩니다. 입체 현미경은 미세 물체를 확대하는 동시에 인간의 눈을 기준으로 동일한 방향으로 물체와 이미지를 만들고 깊이감을 갖고 있으며 이는 사람들의 전통적인 시각적 습관과 일치합니다. 편광 현미경은 다양한 미세 물체 구성 요소를 구별하기 위해 편광에 대한 다양한 재료의 투과 또는 반사 특성을 사용합니다. 또한 일부 특수 유형도 세분화될 수 있습니다. 예를 들어, 도립생물현미경이나 배양현미경은 주로 배양용기 바닥을 통해 배양물을 관찰하는데 사용되는 생물현미경이다. 형광현미경은 특정 물질의 특성을 이용하여 특정 짧은 파장의 빛을 흡수하고 특정 긴 파장의 빛을 방출하여 이러한 물질의 존재를 발견하고 그 함량을 결정합니다. 비교 현미경은 동일한 시야에 있는 두 물체의 병치되거나 중첩된 이미지를 형성하여 두 물체 간의 유사점과 차이점을 비교할 수 있습니다.
전통적인 광학 현미경은 주로 광학 시스템과 이를 지지하는 기계적 구조로 구성됩니다. 광학계에는 대물렌즈, 접안렌즈, 집광렌즈 등이 있으며, 모두 다양한 광학유리를 조합하여 만든 복잡한 확대경입니다. 대물렌즈는 표본을 확대하며 그 배율 Mobject는 다음 공식에 의해 결정됩니다. Mobject =Δ∕f'object, 여기서 f'object는 대물렌즈의 초점 거리이고 Δ는 거리로 이해될 수 있습니다. 대물렌즈와 접안렌즈 사이. 접안렌즈는 대물렌즈가 맺은 상을 다시 확대하여 인간의 눈 앞 250mm 지점에 허상을 형성하여 관찰합니다. 이것은 대부분의 사람들에게 가장 편안한 관찰 위치입니다. 접안렌즈 M=250/f' 눈의 배율입니다. 여기서 f'는 접안렌즈의 초점 거리입니다. 현미경의 전체 배율은 대물렌즈와 접안렌즈의 곱입니다. 즉, M=M object*M eye=Δ*250/f' eye *f; 물체. 대물렌즈와 접안렌즈의 초점거리를 줄이면 전체 배율이 높아지는 것을 알 수 있는데, 이는 현미경으로 세균이나 기타 미생물을 관찰하는 데 핵심이자 일반 돋보기와의 차이점이기도 하다.
그렇다면 f' 객체 f' 메시를 제한 없이 줄여서 배율을 높여서 더 미묘한 객체를 볼 수 있는 것이 가능할까요? 내 대답은 아니오 야! 왜냐하면 이미징에 사용되는 빛은 본질적으로 전자기파의 일종이므로 일상생활에서 볼 수 있는 수면의 잔물결이 장애물을 만나면 돌게 되는 것처럼 전파 과정에서 필연적으로 회절 및 간섭 현상이 발생하기 때문입니다. , 두 개의 파도 기둥이 만나면 서로 강화되거나 약화될 수 있습니다. 점 모양의 발광체에서 방출된 광파가 대물렌즈에 입사하면 대물렌즈의 틀이 빛의 전파를 방해하여 회절과 간섭이 발생합니다. 대물렌즈를 통과한 후에는 더 이상 한 지점에 모일 수 없고 일정 크기의 빛의 반점을 형성하며 주변에 약하고 점차 약해지는 강도의 빛 고리가 일련으로 나타납니다. 중앙의 밝은 점을 Airy disk라고 부릅니다. 두 개의 발광점이 특정 거리에 가까우면 두 개의 광점이 두 개의 광점으로 인식될 수 없을 때까지 겹쳐집니다. Rayleigh는 두 광점의 중심 사이의 거리가 Airy 디스크의 반경과 같을 때 두 광점을 구별할 수 있다고 판단 기준을 제안했습니다. 계산하면 이때 발광하는 두 점 사이의 거리는 e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA 식에서 In은 광파의 파장, 인간의 눈이 받아들일 수 있는 광파 파장은 약 0.4-0.7um이고, n은 발광점이 위치한 매질의 굴절률이다. 예를 들어, 공기 중에서 n≒1, 수중에서 n≒1.33이고, A는 대물렌즈 프레임에 대한 발광점의 개방각의 절반이고, NA는 대물렌즈의 개구수라 불린다. 위의 공식을 보면 대물렌즈가 구별할 수 있는 두 점 사이의 거리는 빛의 파장과 개구수에 의해 제한된다는 것을 알 수 있습니다. 가장 민감한 인간 눈의 파장은 약 0.5um이고 각도 A는 90도를 초과할 수 없으므로 sinA는 항상 1보다 작습니다. 사용 가능한 빛 투과의 최대 굴절률 매체는 약 1.5이므로 e 값은 항상 광학 현미경으로 분해할 수 있는 최소 한계 거리인 0.2um보다 큽니다. 현미경을 통해 이미지를 확대합니다. 인간의 눈으로 식별할 수 있을 만큼 특정 NA 값으로 대물렌즈로 식별할 수 있는 물체점 거리 e를 확대하려면 0.15mm보다 크거나 같은 Me가 필요합니다. 여기서 { {29}}.15mm는 눈 앞 250mm에서 인간의 눈으로 구별할 수 있는 두 개의 미세 물체 사이의 최소 거리이므로 M은 (0.15∕0.61)NA보다 크거나 같습니다. ≒500N.A. 배율을 두 배로 늘리면 충분합니다. 즉, 500N.A 이하 M 1000N.A 이하이며 이는 현미경의 전체 배율의 합리적인 선택 범위입니다. 아무리 총 배율이 커도 의미가 없습니다. 대물렌즈의 개구수는 최소 분해 가능 거리를 제한하고 배율을 높여서 더 작은 물체의 세부 사항을 구별하는 것이 불가능하기 때문입니다.
이미징 대비는 광학 현미경의 또 다른 주요 문제입니다. 소위 대비란 이미지 표면에서 인접한 부분 사이의 흑백 대비 또는 색상 차이를 나타냅니다. 인간의 눈은 0.02 이하의 밝기 차이를 판단하기 어렵지만 색상 차이에는 약간 더 민감합니다. 생물학적 표본과 같은 일부 현미경 개체는 세부 사항 간의 밝기 차이가 거의 없으며 현미경 광학 시스템의 설계 및 제조 오류로 인해 이미징 대비가 더욱 감소되어 구별이 어려워집니다. 이때 물체의 세부 사항은 명확하게 볼 수 없습니다.
수년에 걸쳐 사람들은 현미경의 해상도와 이미징 대비를 개선하기 위해 열심히 노력해 왔습니다. 컴퓨터 기술과 도구가 지속적으로 발전함에 따라 광학 설계의 이론과 방법도 지속적으로 개선되었습니다. 원료 성능의 개선, 기술 및 검출 방법의 지속적인 개선, 관찰 방법의 혁신과 결합하여 광학 현미경의 이미징 품질은 회절 한계의 완벽함에 가까워졌습니다. 사람들은 표본 염색, 암시야, 위상차, 형광, 간섭 및 편광을 사용합니다. 이미징 장비가 속속 나오고 있으며 일부 측면에서 우수한 성능을 가지고 있지만 저렴함, 편의성, 직관성, 특히 생물 연구에 적합하다는 점에서 여전히 광학 현미경과 경쟁할 수 없습니다. 광학현미경은 여전히 확고한 위치를 차지하고 있습니다. 한편, 고대광학현미경은 레이저, 컴퓨터, 신소재기술, 정보기술 등이 결합되어 활력을 되찾고 활력 넘치는 활력을 보여주고 있다. 디지털 현미경, 레이저 공초점 주사 현미경, 근접장 주사 현미경, 이광자 현미경 및 다양한 새로운 기능을 갖췄거나 다양한 새로운 환경 조건에 적응할 수 있는 기기들이 끝없이 등장하고 있으며, 이는 광학 현미경의 응용 분야를 더욱 확장시켜 줍니다. 예. 화성 탐사선이 업로드한 암석의 현미경 사진은 얼마나 흥미진진한지요! 우리는 광학현미경이 새로운 태도로 인류에게 도움이 될 것이라고 전적으로 믿을 수 있습니다.
