4. Иммерсионные системы

Дальнейшим усовершенствованием микроскопа явилось применение иммерсионного объектива. Так называют объектив, у которого пространство между предметом (покровным стеклом препарата) и входной линзой заполняется жидкой средой - иммерсией - с показателем преломления, близким к стеклу, например, глицерином (n = 1,45) или монобромнафталином (n = 1,65). При иммерсионном объективе, во-первых, значительно увеличивается яркость изображения и, во-вторых, повышается разрешающая способность микроскопа.

Рис.2. Ход лучей при использовании иммерсионного объектива

При иммерсии свет от предмета до объектива проходит по оптически однородной среде и не дает потерь на отражение. Это значительно повышает яркость изображения, что имеет существенное значение особенно для микроскопа с большим увеличением. Для микроскопа с увеличением в 400 раз площадь изображения по сравнению с площадью предмета увеличивается в 160 000 раз, во столько же раз уменьшается его яркость по сравнению с яркостью предмета.

В иммерсионном объективе, где между предметом и объективом находится среда с показателем преломления n, длина волны света, проходящего в объектив, _n=  / n , где  - длина волны света в воздухе. Подставляя эти данные в формулу для предела разрешения, получим:

Z = _n / 2sin( /2) =  / 2n sin( /2)

т.е. предел разрешения иммерсионного объектива при наклонном освещении предмета числено равен отношению длины волны света к удвоенному произведению показателя преломления иммерсионной среды на синус апертурного угла объектива.

Величина А = sin( /2) для сухого или А_n = n sin( /2) для иммерсионного объектива называется численной (числовой) апертурой и для сухого объектива обозначается на оправе вместе с увеличением. Поэтому можно сказать, что предел разрешения микроскопа равняется длине волны света, при котором производится наблюдение, деленной на численную апертуру при перпендикулярном падении света на предмет:

Z =  / A,

или деленной на удвоенную численную апертуру при наклонном освещении:

Z =  / 2A;

при иммерсионном объективе Z =  / 2n A.

Числовая апертура объектива, характеризуя предел разрешения, позволяет сравнить между собой разрешающую способность различных микроскопов. Последняя тем выше, чет больше апертура.

Максимальный апертурный угол может быть порядка 70⁰ , тогда для сухого объектива ему соответствует числовая апертура А= sin70⁰ = 0,94; Z 0,30 мкм.

Для иммерсионного объектива при n = 1,5

А_n = 1,5 0,94 = 1,4; Z0,19 мкм.

Данные приведены для наклонного падения света на объект и наиболее чувствительной глазу длины волны 0,555 мкм.

5. Полезное увеличение

Таким образом, в оптическом микроскопе разрешаются объекты размером не менее 0,2 - 0,3 мкм. Для того, чтобы эти объекты были различимы также и глазом, увеличение К_м микроскопа должно быть не меньше величины, определяемой соотношением пределов разрешения Z_глаза и микроскопа Z_м: K_m = Z_гл / Z_м , подставляя в эту формулу значение Z, получим

K_m = 2A Z_гл / .

Z_глаза (на расстоянии наилучшего зрения) равно от 140 до 280 мкм. Подставляя их, а также = 0,555 мкм в формулу, находим интервал значений полезного увеличения микроскопа: 500А < K_м < 1000А. Эти увеличения называют полезными, т.к. при них глаз различает все элементы структуры объекта, которые разрешимы микроскопом.