Основные характеристики объективной линзы

Рассмотрим основные характеристики, которыми должна обладать объективная линза.

Увеличение изображения образца в плоскости объекта. Основная функция объективной линзы — создание действительного увеличенного изображения образца в плоскости объекта окулярной или проекционной линзами. Увеличение объективной линзы определяется отношением размера промежуточного изображения, которое она формирует, к истинному размеру объекта. Увеличение объективных линз оптических микроскопов может составлять от нескольких единиц до нескольких тысяч. Полное увеличение такой системы определяется выражением.

Здесь К — коэффициент увеличения микроскопа; Я — линейные размеры увеличенного изображения объекта; h — линейные размеры объекта; D — расстояние наилучшего зрения; Д — расстояние между фокусами объективной и окулярной линз; /₀б, /_ок — фокусные расстояния объективной и окулярной линз соответственно. Так, например, для типичного случая D = 250 мм, Д — 1,0 мм,/_об — 2 мм,/_ок — 15 мм, коэффициент увеличения микроскопа составляет К = 1335.

Объектив может собрать лишь часть света, рассеиваемого образцом, ограниченную конусом, образованным диаметром линзы и расстоянием между плоскостью линзы и образцом. Эта особенность линзы называется числовой апертурой линзы и характеризует способность линзы собирать световые пучки. Числовая апертура определяется формулой.

где п — показатель преломления среды, находящейся между поверхностью объективной линзы и объектом; (3 — половина апертурного утла при вершине конуса светового потока, собираемого линзой.

Разрешающая способность линзы — одна из наиболее важных характеристик объектива, состоящая в способности линзы воспроизводить четкое (резкое) изображение близко расположенных объектов (детали образца). Иными словами, разрешающая способность объективной линзы — это наименьшее расстояние между двумя точками объекта, при котором эти точки на изображении разрешаются как две отдельные точки.

Предельная разрешающая способность линзы (е) определяется дифракционными свойствами линзы и может быть записана в виде.

где 0,61 — числовая константа; X — длина волны света, используемого для освещения объекта; А — числовая апертура объективной линзы.

Глубина резко изображаемого пространства (глубина резкости) характеризует величину смещения образца вдоль оптической оси, которое может быть произведено без заметного ухудшения фокусировки изображения.

Глубина резкости (Р) обратно пропорциональна квадрату числовой апертуры, т. е.

Это означает, что при значительных неровностях поверхности образца целесообразно использовать объективы с малой числовой апертурой.

Аберрации. Наряду с дифракционными ограничениями разрешающую способность линз ухудшают различного рода дефекты (искажения, отклонения от нормы, ошибки), называемые в оптике аберрациями. Теория аберраций оптических систем была создана Ф. Л. фон Земйделем в 1856 г. Наиболее распространенными считаются пять типов аберраций: сферическая и хроматическая аберрации, кома, астигматизм и дисторсия. На рис. 3.2 схематически показано, как образуются эти типы ошибок в передаче изображений линзами.

Сферическая аберрация обусловлена тем, что лучи, проходящие через участки линзы, расположенные на различных расстояниях от оптической оси, фокусируются на различных расстояниях от центра линзы, т. е. имеют несколько отличные фокусные расстояния (рис. 3.2, а). Поэтому фокус линзы будет размыт вдоль оптической оси. Это главный дефект объективных линз, в особенности в электронной микроскопии.

Хроматическая аберрация возникает в случае освещения объекта немонохроматическим светом. Световые лучи более короткой длины волны преломляются сильнее, чем лучи большей длиной волны, отсюда возникает цветовое размытие фокуса вдоль оптической оси (рис. 3.2, б).

Кома (коматическая аберрация) — частный случай (вид) сферической аберрации для боковых лучей. Если рассматривать изображения точек образца, располагающихся на разных расстояниях от оптической оси линзы, то изображения их будут размытыми за счет изменения коэффициента увеличения линзы. Это результат нарушения осевой симметрии линзы. Такие искажения называются комой.

Астигматизм — наиболее сложный вид искажений. Он обусловлен нарушением осевой симметрии линзы и приводит к отличию фокусных.

Рис. 3.2. Аберрации линз:

а — сферическая аберрация; б — хроматическая аберрация; в — кома; г — астигматизм; д — идеальная сетка объекта; е — дисторсия подушкообразная; ж — дисторсия бочкообразная; 5 — источник света; L — линза; f_u f₂, f₃ — фокальные точки линзы, образующиеся за счет аберраций расстояний для лучей, проходящих в плоскости (рис. 3.2, г), и лучей, располагающихся в перпендикулярной плоскости. Искажения этого типа особенно существенны для электронной микроскопии, так как изготовить магнитную линзу (диаметры полюсных сердечников такой линзы могут составлять 10 см и более) с высокой степенью осевой симметрии достаточно сложно.

Дисторсия возникает, когда отдельные точки объекта, располагающиеся на разных расстояниях от оптической оси, имеют разное увеличение. В случае когда увеличение уменьшается с увеличением расстояния от оптической оси, дисторсия называется бочковидной, в противоположном случае — подушковидной.

В оптической микроскопии перечисленные виды аберраций в значительной степени удается скорректировать высоким качеством изготовления оптики и применением специальных сложных объективов (ахроматические, апохроматические). Однако полностью исправить все аберрации линз практически невозможно.

Режимы освещения. В зависимости от характера освещения объекта различают два типа микроскопов:

• • микроскопы, работающие с прозрачными объектами. Такие микроскопы называют просвечивающими (или биологическими);
• • микроскопы, предназначенные для изучения непрозрачных объектов называются отражательными (или металлографическими).

В современных универсальных приборах эти возможности обычно совмещаются в виде двух режимов освещения: на просвет и на отражение. На рис. 3.3 приведена классическая схема микроскопа, предназначенного для работы на отражение.

В зависимости от решаемых задач могут использоваться различные источники света: различной степени яркости, монои полихроматические, плоскополяризованные и с более сложной структурой света, ультрафиолетовые и инфракрасные и др. Для этих целей применяются лампы накаливания с вольфрамовой нитью (в виде плоской ленты или спирали), ксеноновые, циркониевые, ртутные и дуговые лампы, каждая из.

Рис. 3.3. Схема металлографического микроскопа:

7 — источник света; 2 — апертурная диафрагма конденсора; 3 — конденсорная линза; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — объектив; б — плоскость объекта; 7 — плоскость первого изображения; 8 — окуляр; 9 — плоскость второго изображения которых имеет и свои преимущества, и определенные недостатки, а их выбор определяется конкретной исследовательской задачей.

Метод светлого поля. Характер контраста и его качество существенным образом зависят от выбора режима и правильности настройки освещения. В зависимости от способа освещения различают два типа контраста: светлопольный и темнопольный. Если прямые лучи светового потока от источника, освещающего объект, близки по направлению к оптической оси прибора, такое освещение называют светлопольным.

Метод темного поля используется для усиления контраста наиболее часто. Согласно данному методу, вместо апертурной диафрагмы конденсора помещается кольцевая диафрагма, которая и является в данном случае кольцевым источником освещения образца. Контраст, получаемый при темнопольном освещении, является обратным по отношению к контрасту, формируемому в светлом поле, а именно, детали структуры, кажущиеся светлыми в светлом поле, становятся темными в темном поле и, наоборот, детали структуры, которые выглядят темными в светлом поле, будут светлыми в темном поле.

Рис. 3.4. Схема образования светлопольного (о) и темнопольного (б) контраста

Сказанное выше схематически проиллюстрировано на рис. 3.4. Следует подчеркнуть, что разрешающая способность при этом не меняется, однако детали структуры, которые в светлом поле имеют слабую контрастность, могут в ряде случаев становиться более контрастными в темном поле.