Микроскоп является оптическим устройством и состоит преимущественно из линз, сосредоточенных в объективах и окулярах. Для понимания работы микроскопа используют следующие термины и понятия (рис. 2.2):
Рис. 2.2. Схема хода лучей в собирающих линзах. По [Бергнер и др., 1977].
Объектив микроскопа формирует на определенном расстоянии (расчетная оптическая длина тубуса для данного объектива) за своим фокусом действительное изображение объекта, которое наблюдается через окуляр микроскопа, как через лупу. При правильной фокусировке для наблюдателя действительное промежуточное изображение, полученное с помощью объектива, находится в фокальной плоскости окуляра, и поэтому наблюдаемое изображение находится как бы в бесконечности. Большинство объективов дают первичное изображение в несколько искривленной плоскости, т.е. возникают ошибки или аберрации в передаче изображения.
Сферическая аберрация вызвана различием в ходе лучей в центральной и краевых частях линзы (рис. 2.3). Если на простую собирающую линзу падает широкий пучок лучей, параллельных оси, то лучи, проходящие через различные концентрические зоны линзы, будут пересекать ось в различных точках. Чем дальше от оси находится данная зона линзы, тем короче фокусное расстояние этой зоны. Каждая зона образует свой особый фокус. В результате изображение растягивается вдоль оси и на периферии поля зрения окружено нерезкой каймой. Эта ошибка изображения обусловлена формой линзы.
Рис. 2.3. Сферическая аберрация.
Рис. 2.4. Хроматическая аберрация.
Хроматическая аберрация возникает вследствие того, что лучи света разной длины волны (цвет) преломляются линзой по-разному. В результате, лучи различных длин волн в пространстве изображения имеют различные точки фокуса (рис. 2.4).
Хроматическая разница масштабов отображения возникает тогда, когда фокусы для лучей различных цветов не совпадают, а главные точки совпадают. Поэтому фокусные расстояния и масштабы отображения для лучей отдельных цветов при определенном фокусном расстоянии различны.
Сферическая и хроматическая аберрации, присущие многим объективам, уменьшаются путем сочетания нескольких линз из разного стекла. По степени исправленности аберраций объективы различаются на ахроматы, апохроматы, монохроматы, планобъективы.
Ахроматы (от греческого «achromatos» – бесцветный) состоят из системы линз подобранных таким образом, чтобы устранить хроматическую аберрацию. В этом типе объективов фокальные точки для красного и голубого цветов совпадают, при этом сферическая аберрация устранена только для средней желто-зеленой части спектра, и полученное изображение несколько размыто в периферической части.
В апохроматах устранены хроматические аберрации для трех цветов (красного, зеленого и синего) спектра, а сферические – для двух цветов (синий и зеленый). Остаточные искажения практически незначительны, так что у апохроматических объективов коррекция распространяется на всю видимую область спектра. Поскольку апохроматы обладают хроматической разностью увеличения, их следует применять в сочетании с соответствующими проекционными системами, компенсирующими этот дефект (компенсационные окуляры или компенсационные проекционные объективы). Апохроматы тоже искривляют поле зрения.
Монохроматы представляют собой объективы микроскопов, в которых аберрации устранены для одной длины волны или очень узкой области спектра. Из-за этого ограничения монохроматы используются только в специальных случаях.
Ошибка поля зрения устранена у планобъективов. Обычно они коррегированы для полей зрения (средний диаметр изображения) диаметром 20–28 мм. Планобъективы выпускаются как с ахроматической, так и с апохроматической коррекцией. В них сохраняется хроматическая разность увеличения, поэтому их следует применять с компенсационным окуляром. Целесообразно сочетание планобъективов со специально для них рассчитанными планокулярами (окуляры большого поля или широкоугольные окуляры), с помощью которых расширяется световое поле объектива.
Увеличение объектива означает, в какой степени увеличивается изображение, когда свет проходит через объектив. Объективы для световых микроскопов по увеличению различаются от 2.5 до примерно 125-кратных. Объективы различаются по мере способности разрешать тонкие детали структуры. Разрешающая способность определяет качество получаемого в микроскопе изображения, т.е четкость выявления деталей. Разрешающая способность зависит от исправленности объектива в отношении сферической и хроматической аберраций и, главным образом, от апертуры (от лат. «apertura» – отверстие оптического прибора). В оптике апертура определяется размерами линз или диафрагмами. Угловая апертура – угол между крайними лучами конического светового пучка, входящего в систему (рис. 2.5). Числовая или нумерическая апертура определяет глубину фокуса и полезную степень увеличения. Математически числовая апертура лежит в пределах от 0.04 до 1.3 и равна:
A = n × sinα,
где n – показатель преломления среды, в которую погружен объектив, α – угол, равный половине угловой апертуры данной линзы. Величина апертуры выгравирована на оправе объектива. Числовая апертура апохроматов выше, чем ахроматов. Предельным значением для сухих объективов является 0.95, а для иммерсионных (с n = 1.5) увеличивается до 1.4.
Применяемые для минераграфических исследований объективы низких и средних увеличений относятся, как правило, к сухим или воздушным системам, которые рассчитаны на наличие между объективом и образцом воздуха. Иммерсионные объективы часто используются при больших увеличениях и необходимости высокого разрешения. В этом случае между образцом и объективом помещают каплю иммерсионного масла. Присутствие иммерсионной среды уменьшает отражение минерала, но повышает различие в цвете, снижает диффузное рассеяние света и обычно позволяет наблюдать слабые эффекты анизотропии и двуотражения, которые не видны с сухими объективами.
Рис. 2.5. Апертура объектива. По [Воган, Крейг, 1983].
У.А. – угловая апертура, С.Р.Р. – свободное рабочее расстояние.
\Для исследований в отраженном свете применяются объективы, отличающиеся от объективов для проходящего света. Выпускаемые сегодня объективы относятся к серии, так называемой ICS-оптики (Infinity Color-corrected System). Эти объективы проецируют изображение на «бесконечность», и лишь тубусная линза создает промежуточное изображение. Световые лучи в такой «бесконечной оптике» проходят параллельно между объективом и тубусной линзой. Фильтры и рефлекторы могут использоваться без дополнительных оптических элементов. Объективы и тубусные линзы создают совместно в конечном итоге полностью скоррегированное промежуточное изображение. Классические микроскопы с «конечной оптикой» требуют значительного улучшения окуляров.
Вся необходимая информация об объективе гравируется на его оправе. Обычно указываются следующие параметры:
- увеличение и числовая апертура. Например, объектив 40´/0.65 имеет увеличение 40 крат и числовую апертуру 0.65;
- дополнительная буквенная маркировка, если объектив используется при различных методах исследования и контрастирования. Например, иммерсионные объективы могут маркироваться как Oil или МИ;
- маркировка типа оптической коррекции. Например, апохромат – АРО, планахромат – PL или Plan, планапохромат – Plan-Аро;
- для объективов, сконструированных для «классической» конечной оптики, пишется оптическая длина тубуса, а ICS-оптика маркируется символом бесконечности; маркировка объективов, скоррегированных на покровные стекло, содержит индекс 0.17 (толщина покровного стекла), а без коррекции – символ 0. Например, надпись ¥/0 обозначает, что оптика «бесконечная», и коррекция на покровное стекло не введена (т.е. объектив предназначен для наблюдений в отраженном свете).
В комплект микроскопа входят окуляры (рис. 2.6), предназначенные для передачи созданного объективом действительного изображения в глаз наблюдателя или для проектирования промежуточного изображения на плоскость изображения фотокамеры или проекционный экран. По своему функциональному назначению окуляры разделяются на обычные (окуляр Гюйгенса) и специальные.
Рис. 2.6. Разрез окуляра.
1 – положение промежуточного изображения; 2 – ограничение полезного поля зрения; 3 – окулярная оптика; 4 – положение зрачка окуляра – зрачок глаза наблюдателя; 5 – фокусирующее кольцо.
Обычные окуляры по системе Гюйгенса предназначены для работы со слабыми и средними ахроматами. Они состоят из двух линз – нижней (коллектора) и верхней (глазной), между которыми расположена диафрагма. Глазная линза сфокусирована на кромку диафрагмы, поэтому улавливаемое глазом мнимое изображение оказывается резко ограниченным изображением диафрагмы. Таким образом определяется величина объективного поля зрения микроскопа. Окуляры Гюйгенса обычно в плоскости диафрагмы снабжаются крестом нитей. На этом месте можно также установить и вспомогательные средства, например, индексы, координатные сетки и окулярные масштабные пластинки.
Специальные окуляры (компенсационные, планокуляры, кварцевые окуляры) обладают особыми оптическими свойствами, необходимыми для конкретных случаев. Компенсационные окуляры предназначены для работы с апохроматами, но их можно применять и с ахроматами, преимущественно с теми, чья численная апертура больше 0.65. Такие окуляры компенсируют хроматическую разность увеличений.
Даже самые совершенные объективы и окуляры Гюйгенса дают сферическую аберрацию. Для ее устранения создан ортоскопический (планатический или перипланатический) окуляр, который используется в основном в микрофотографии.
Микрометрический окуляр, снабженный линейкой, предназначен для измерения в шлифе размеров зерен.
Увеличение микроскопа зависит от увеличения объектива и окуляра и определяется как их произведение. Увеличение при проецировании зависит от расстояния между окуляром и экраном. Общее увеличение микроскопа определяется (правило Аббе) разрешающей способностью объектива, т.е. его апертурой, и должно находиться в пределах от 500 до 1000A. Исключение из этого правила делается для малых увеличений и при микрофотографии.