Kính hiển vi , công cụ tạo ra hình ảnh phóng to của các vật thể nhỏ, cho phép người quan sát quan sát cực kỳ gần các cấu trúc nhỏ ở một tỷ lệ thuận tiện cho việc kiểm tra và phân tích. Mặc dù kính hiển vi quang học là chủ đề của bài viết này, một hình ảnh cũng có thể được phóng to bằng nhiều dạng sóng khác, bao gồm âm thanh , tia X hoặc chùm điện tử và được nhận bằng hình ảnh trực tiếp hoặc kỹ thuật số hoặc bằng sự kết hợp của các phương pháp này. Kính hiển vi có thể cung cấp hình ảnh động (như với dụng cụ quang học thông thường) hoặc hình ảnh tĩnh (như với kính hiển vi điện tử quét thông thường ).
Công suất phóng đại của kính hiển vi là biểu thức của số lần vật thể được kiểm tra có vẻ như được phóng to và là một tỷ lệ không có thứ nguyên. Nó thường được thể hiện ở dạng 10 × (đối với hình ảnh được phóng đại lên 10 lần), đôi khi bị nói sai thành “mười eks” — mặc dù × là một ký hiệu đại số — thay vì ở dạng chính xác, “mười lần”. Độ phân giải của kính hiển vi là thước đo chi tiết nhỏ nhất của vật thể có thể quan sát được. Độ phân giải được biểu thị bằng đơn vị tuyến tính, thường là micromet (μm).
Loại kính hiển vi quen thuộc nhất là kính hiển vi quang học, hay ánh sáng , trong đó thấu kính thủy tinh được sử dụng để tạo hình ảnh. Kính hiển vi quang học có thể đơn giản, bao gồm một thấu kính đơn hoặc hợp chất , bao gồm nhiều thành phần quang học thẳng hàng. Kính lúp cầm tay có thể phóng đại khoảng 3 đến 20 ×. Kính hiển vi đơn thấu kính đơn có thể phóng đại lên đến 300 × và có khả năng phát hiện vi khuẩn — trong khi kính hiển vi phức hợp có thể phóng đại lên đến 2.000 ×. Một kính hiển vi đơn giản có thể phân giải dưới 1 micromet (μm; một phần triệu mét); một kính hiển vi phức hợp có thể phân giải xuống khoảng 0,2 μm.
Các hình ảnh quan tâm có thể được chụp lại bằng cách chụp ảnh qua kính hiển vi, một kỹ thuật được gọi là quang vi lượng. Từ thế kỷ 19, điều này đã được thực hiện với phim, nhưng hình ảnh kỹ thuật số hiện được sử dụng rộng rãi thay thế. Một số kính hiển vi kỹ thuật số đã phân phối với thị kính và cung cấp hình ảnh trực tiếp trên màn hình máy tính . Điều này đã làm nảy sinh một loạt kính hiển vi kỹ thuật số giá rẻ mới với nhiều khả năng chụp ảnh, bao gồm cả vi ghi thời gian trôi đi, đã mang lại những nhiệm vụ phức tạp và tốn kém trước đây trong tầm tay của các nhà kính hiển vi trẻ hoặc nghiệp dư.
Lịch Sử Của Kính Hiển Vi Quang Học
Khái niệm về độ phóng đại đã được biết đến từ lâu. Khoảng năm 1267, nhà triết học người Anh Roger Bacon đã viết trên tờ Perspectiva , “[Chúng tôi] có thể đánh số các hạt bụi và cát nhỏ nhất nhờ vào độ lớn của góc mà chúng ta có thể nhìn thấy chúng,” và vào năm 1538, bác sĩ người Ý Girolamo Fracastoro đã viết trong Homocentrica , "Nếu ai đó nên nhìn qua hai chiếc kính đeo mắt , một chiếc được đặt chồng lên nhau, người đó sẽ thấy mọi thứ lớn hơn nhiều."
Ba nhà sản xuất cảnh tượng người Hà Lan—Hans Jansen , con trai ôngZacharias Jansen , vàHans Lippershey —đã nhận được tín dụng vì đã phát minh rakính hiển vi phức hợp khoảng năm 1590. Hình ảnh chân dung đầu tiên của kính hiển vi được vẽ vào khoảng năm 1631 ở Hà Lan. Nó rõ ràng là của một kính hiển vi ghép , với thị kính và vật kính . Loại nhạc cụ này, được làm bằng gỗ và bìa cứng, thường được trang trí bằng da cá đánh bóng, ngày càng trở nên phổ biến vào giữa thế kỷ 17 và được nhà triết học tự nhiên người Anh Robert Hooke sử dụng để cung cấp các cuộc biểu tình thường xuyên cho Hiệp hội Hoàng gia mới. . Những cuộc biểu tình này bắt đầu vào năm 1663, và hai năm sau Hooke xuất bản một tập sách foo có tựa đềMicrographia , đã giới thiệu một loạt các góc nhìn hiển vi về các vật thể quen thuộc (bọ chét, chấy rận và cây tầm ma trong số chúng). Trong cuốn sách này, ông đặt ra thuật ngữ ô .
Ẩn trong những trang không được đánh số của lời nói đầu của Micrographia là mô tả về cách một ống kính công suất cao duy nhất có thể được chế tạo thành một kính hiển vi có thể sử dụng được và công chức Hà Lan đã sử dụng thiết kế nàyAntonie van Leeuwenhoek bắt đầu quan sát tiên phong về vi sinh vật nước ngọt vào những năm 1670. Ông đã tự tay làm ra những chiếc kính hiển vi có kích thước như con tem thư và chiếc kính hiển vi tốt nhất trong số đó có thể phân giải các chi tiết khoảng 0,7 μm . Những mẫu vật tuyệt vời của ông được phát hiện trong tình trạng tuyệt vời tại Hiệp hội Hoàng gia hơn ba thế kỷ sau đó chứng minh ông là một kỹ thuật viên tuyệt vời. Sử dụng chiếc kính hiển vi đơn giản của mình, Leeuwenhoek đã đưa ra hiệu quả vi sinh vào năm 1674, và kính hiển vi một thấu kính vẫn còn phổ biến cho đến những năm 1850. Năm 1827 chúng được nhà thực vật học người Scotland Robert Brown sử dụng để chứng minh tính phổ biến của nhân tế bào , một thuật ngữ do ông đặt ra vào năm 1831.
Kính hiển vi đơn giản sử dụng thấu kính đơn có thể tạo ra hình ảnh đẹp; tuy nhiên, chúng cũng có thể tạo ra màu giả do hiện tượng quang sai màu , trong đó các bước sóng ánh sáng khác nhau không đến cùng tiêu điểm. Quang sai tồi tệ hơn trong các kính hiển vi phức hợp thời đó, vì các thấu kính phóng đại quang sai ít nhất bằng khi chúng phóng đại hình ảnh. Mặc dù kính hiển vi ghép là vật thể đẹp đẽ mang lại địa vị cho chủ nhân của chúng, nhưng chúng lại tạo ra những hình ảnh kém chất lượng. Vào năm 1733, nhà nhãn khoa nghiệp dư người Anh Chester Moor Hall đã tìm ra sự kết hợp giữa thấu kính thủy tinh lồi và kính đá lửa lõm.thấu kính có thể giúp hiệu chỉnh quang sai màu trong kính thiên văn , và vào năm 1774, Benjamin Martin ở London đã sản xuất một bộ thấu kính hiệu chỉnh màu tiên phong cho kính hiển vi.
Sự xuất hiện của các loại kính quang học mới đã khuyến khích sự phát triển tiếp tục của kính hiển vi trong thế kỷ 19, và những cải tiến đáng kể đã được thực hiện trong việc hiểu quang học hình học của sự hình thành hình ảnh. Khái niệm về vật kính hiển vi achromatic (không làm biến dạng màu sắc) cuối cùng được đưa ra vào năm 1791 bởi nhà nhãn khoa người Hà Lan Francois Beeldsnijder, và nhà khoa học người Anh Joseph Jackson Lister vào năm 1830 đã xuất bản một công trình mô tả cách tiếp cận lý thuyết để thiết kế hoàn chỉnh các vật kính hiển vi. Các vật lý xây dựng ống kính đã được kiểm tra bởi nhà vật lý người Đức Ernst Abbe. Năm 1868, ông phát minh ra một hệ thống thấu kính apochromatic, có khả năng hiệu chỉnh màu sắc tốt hơn cả thấu kính không tiêu sắc, và vào năm 1873, ông đã công bố một phân tích toàn diện về lý thuyết thấu kính. Kính hiển vi ánh sáng được sản xuất vào cuối thế kỷ 19 đã đạt đến giới hạn hiệu quả của kính hiển vi quang học. Công cụ tiếp theo, chẳng hạn như kính hiển vi giai đoạn có độ tương phản , kính hiển vi can thiệp , và kính hiển vi đồng tiêu , giải quyết các vấn đề cụ thể mà đã phát sinh trong quá trình nghiên cứu mẫu vật như các tế bào sống.
Kính Hiển Vi Đơn Giản
Nguyên tắc
Kính hiển vi đơn giản bao gồm một ống kính thường được gọi là ống kính lúp. Ví dụ quen thuộc nhất hiện nay là kính đọc sách hoặc kính lúp. Các thấu kính có độ phóng đại ngày nay cao hơn thường được chế tạo với hai phần tử kính để tạo ra hình ảnh được hiệu chỉnh màu sắc. Chúng có thể được đeo quanh cổ được đóng gói dưới dạng hình trụ có thể được giữ ở vị trí ngay trước mắt. Chúng thường được gọi làkính che mắt hoặc thấu kính của thợ kim hoàn. Kính hiển vi đơn giản truyền thống được chế tạo với một thấu kính phóng đại duy nhất, thường có chất lượng quang học đủ để cho phép nghiên cứu các sinh vật kính hiển vi bao gồm cả Hydra và sinh vật nguyên sinh.
phóng đại Phóng đạiTheo bản năng, khi người ta muốn xem xét các chi tiết của một vật thể, để đưa vật đó đến gần mắt nhất có thể. Vật càng gần mắt, góc mà nó phụ vào mắt càng lớn, và do đó vật xuất hiện càng lớn. Tuy nhiên, nếu một vật được đưa quá gần, mắt không còn có thể nhìn thấy hình ảnh rõ ràng. Việc sử dụng thấu kính lúp giữa người quan sát và vật thể cho phép hình thành “hình ảnh ảo ”có thể được xem một cách thoải mái. Để có được hình ảnh tốt nhất có thể,kính lúp nên được đặt ngay trước mắt. Vật quan tâm sau đó được đưa về phía mắt cho đến khi nhìn thấy ảnh rõ nét của vật đó.Nếu không có thấu kính, độ phóng đại cao nhất có thể là khi đưa vật đến vị trí gần nhất mà tại đó quan sát được ảnh ảo rõ nét. Đối với nhiều người, khoảng cách hình ảnh này là khoảng 25 cm (10 inch). Khi con người già đi, điểm gần nhất của tầm nhìn khác biệt sẽ giảm dần về khoảng cách xa hơn, do đó, kính lúp trở thành một công cụ hỗ trợ hữu ích cho thị lực đối với người lớn tuổi. Các công suất phóng đại, hoặc mức độ phóng to đối tượng đang được xem và trường nhìn , hoặc kích thước của đối tượng có thể được xem, có liên quan đến hình học của hệ thống quang học. Giá trị làm việc cho công suất phóng đại của thấu kính có thể được tìm thấy bằng cách chia khoảng cách nhỏ nhất của tầm nhìn phân biệt cho tiêu cự của thấu kính, là khoảng cách từ thấu kính đến mặt phẳng tại đó ánh sáng tới được hội tụ. Vì vậy, ví dụ, một thấu kính có khoảng cách nhìn rõ nhất là 25 cm và tiêu cự 5 cm (2 inch) sẽ có công suất phóng đại khoảng 5 ×.Nếu đường kính của thấu kính lúp đủ để lấp đầy hoặc vượt quá đường kính của con ngươi của mắt, thì ảnh ảo được xem sẽ có độ sáng về cơ bản giống như vật ban đầu. Trường nhìn của kính lúp sẽ được xác định bởi mức độ mà thấu kính lúp vượt quá đường kính làm việc này và cũng bởi khoảng cách tách thấu kính khỏi mắt. Độ rõ nét của hình ảnh ảo được phóng đại sẽ phụ thuộc vào quang sai có trong ống kính, đường viền của nó và cách sử dụng nó. Quang saiCác quang sai khác nhau ảnh hưởng đến độ sắc nét hoặc chất lượng của hình ảnh. Quang sai sắc tạo ra các vân màu ở các vùng có độ tương phản cao của hình ảnh, bởi vì các bước sóng ánh sáng dài hơn (chẳng hạn như màu đỏ) được đưa đến hội tụ trong một mặt phẳng hơi xa thấu kính hơn các bước sóng ngắn hơn (chẳng hạn như màu xanh lam).Quang sai cầu tạo ra hình ảnh trong đó trung tâm của trường nhìn được lấy nét khi vùng ngoại vi có thể không có và là hệ quả của việc sử dụng thấu kính có bề mặt hình cầu (thay vì phi cầu hoặc phi cầu).Sự biến dạng tạo ra hình ảnh cong từ các đường thẳng trong đối tượng. Loại và mức độ biến dạng có thể nhìn thấy liên quan mật thiết đến quang sai cầu có thể có trong kính lúp và thường nghiêm trọng nhất ở các ống kính công suất lớn.
Quang sai của ống kính tăng lên khi khẩu độ tương đối (tức là, đường kính làm việc chia cho tiêu cự) của ống kính được tăng lên. Do đó, quang sai của thấu kính có đường kính gấp đôi tiêu cự sẽ kém hơn quang sai của thấu kính có đường kính nhỏ hơn tiêu cự. Do đó, có sự xung đột giữa độ dài tiêu cự ngắn, cho phép công suất phóng đại cao nhưng trường xem nhỏ và độ dài tiêu cự dài hơn, cho phép công suất phóng đại thấp hơn nhưng trường xem tuyến tính lớn hơn. (Các ống kính công suất lớn của Leeuwenhoek vào những năm 1670 có tiêu cự - và do đó là khoảng cách làm việc - vài mm. Điều này khiến chúng khó sử dụng, nhưng chúng cung cấp những hình ảnh đáng chú ý chưa từng có trong suốt một thế kỷ.)
Các loại kính lúp
Có một số loại kính lúp có sẵn. Việc lựa chọn thiết kế quang học cho kính lúp phụ thuộc vào công suất yêu cầu và ứng dụng dự kiến của kính lúp.
Đối với công suất thấp, khoảng 2–10 ×, có thể áp dụng một thấu kính lồi kép đơn giản. (Các kính hiển vi đơn giản ban đầu như của Leeuwenhoek phóng đại lên đến 300 ×.) Hình ảnh có thể được cải thiện nếu thấu kính có các bề mặt phi cầu cụ thể, như có thể dễ dàng thu được trong thấu kính đúc bằng nhựa. Việc giảm biến dạng được ghi nhận khi sử dụng thấu kính phi cầu và việc sản xuất kính lúp nhựa phi cầu công suất thấp như vậy là một ngành công nghiệp chính. Đối với các công suất cao hơn từ 10–50 ×, có một số hình thức cho kính lúp trong đó kính lúp đơn giản được thay thế bằng một thấu kính ghép được tạo thành từ một số thấu kính được gắn với nhau.
Cải thiện trực tiếp về độ méo có thể mong đợi từ kính lúp có thể đạt được bằng cách sử dụng hai thấu kính đơn giản, thường plano-lồi (phẳng ở một bên, mặt kia cong ra ngoài, với các bề mặt cong đối diện nhau). Loại kính lúp này dựa trên thị kính của kính thiên văn Huygenian, trong đó quang sai màu bên được điều chỉnh bằng cách đặt các phần tử cách nhau một tiêu cự. Vì các đặc tính hình ảnh được cung cấp và chia sẻ bởi hai thành phần, quang sai cầu và độ méo của kính lúp được giảm đáng kể so với các đặc tính của một thấu kính đơn giản có cùng công suất.
A Thấu kính Coddington kết hợp hai thấu kính thành một thấu kính dày duy nhất, với một đường cắt rãnh ở trung tâm thấu kính để chọn phần ánh sáng hình ảnh có quang sai thấp nhất. Đây là một thiết kế đơn giản và rẻ tiền nhưng có yêu cầu là khoảng cách làm việc của kính lúp phải rất ngắn.
Kính lúp phức tạp hơn, chẳng hạn như Steinheil hoặc Các dạng Hastings, sử dụng ba phần tử trở lên để đạt được hiệu chỉnh tốt hơn cho quang sai màu và biến dạng. Nói chung, một cách tiếp cận tốt hơn là sử dụng các bề mặt phi cầu và ít phần tử hơn.
Gương cũng được sử dụng.Kính hiển vi phản xạ , trong đó hình ảnh được phóng đại qua gương lõm chứ không phải thấu kính lồi, được nhà vật lý người Anh CR Burch đưa lên đỉnh cao vào năm 1947, người đã chế tạo ra một loạt dụng cụ khổng lồ sử dụng tia cực tím . Không có quang sai màu khi sử dụng gương phản xạ và hiện tượng méo hình và quang sai hình cầu được kiểm soát thông qua việc sử dụng gương phóng đại phi cầu có đường viền cẩn thận . Kính hiển vi phản xạ ngày nay chỉ giới hạn trong các dụng cụ phân tích sử dụng tia hồng ngoại .
Tìm hiểu thêm!
Kính Hiển Vi Phức Hợp
Những hạn chế về độ phân giải (và do đó công suất phóng đại) áp đặt bởi các hạn chế của kính hiển vi đơn giản có thể được khắc phục bằng cách sử dụng kính hiển vi ghép , trong đó hình ảnh được chuyển tiếp bởi haimảng thấu kính . Một trong số họ,vật kính , có tiêu cự ngắn và được đặt gần vật được kiểm tra. Nó được sử dụng để tạo ra hình ảnh thực trong mặt phẳng tiêu cự phía trước của thấu kính thứ hai,thị kính hoặc mắt. Thị kính tạo thành một ảnh ảo phóng to mà người quan sát có thể quan sát được. Công suất phóng đại của kính hiển vi phức hợp là tích số của độ phóng đại của vật kính và của thị kính.
Ngoài hai mảng thấu kính này, kính hiển vi ghép bao gồm một ống thân, trong đó các thấu kính có thể được đặt và giữ cách nhau một khoảng thích hợp; một thấu kính ngưng tụ nằm bên dưới tầng mẫu và tập trung ánh sáng vào mẫu; và một hệ thống chiếu sáng , truyền ánh sáng qua hoặc phản xạ ánh sáng từ đối tượng được kiểm tra. Cũng phải cung cấp phương pháp lấy nét cho kính hiển vi, thường có các bộ điều khiển lấy nét thô và tinh.
Hình thức cơ bản của kính hiển vi ghép là một mắt: một ống đơn được sử dụng, với vật kính ở một đầu và một thị kính ở đầu kia. Để cho phép xem bằng hai mắt và do đó tăng sự thoải mái và thị lực , một vật kính duy nhất có thể được sử dụng trong một ống nhòm có gắn một cặp thị kính phù hợp; tách chùmlăng kính được sử dụng để gửi một nửa ánh sáng từ ảnh tạo bởi vật kính đến mỗi mắt. Các lăng kính này được lắp trong một cụm cơ quay để có thể tạo ra khoảng cách giữa các thị kính để phù hợp với khoảng cách giữa các thấu kính cần thiết cho người quan sát. Một kính hiển vi soi nổi thực sự được cấu hình bằng cách sử dụng hai vật kính và hai thị kính, cho phép mỗi mắt quan sát vật thể một cách riêng biệt, làm cho vật thể có vẻ ba chiều.
Không có nhận xét nào