Lý Thuyết Về Hình Thành Hình Ảnh

Vật kính thu thập một hình quạt của các tia từ mỗi điểm của vật và ảnh hưởng đến bó tia tại tiêu diện phía trước của thị kính. Các quy tắc thông thường của việc dò tia áp dụng cho sự hình thành ảnh. Trong trường hợp không có quang sai , các tia hình học tạo thành ảnh điểm của mỗi điểm đối tượng. Khi có hiện tượng quang sai , mỗi điểm đối tượng được biểu diễn bằng một điểm không rõ ràng. Thị kính được thiết kế để hình ảnh các tia tới tiêu điểm ở một khoảng cách thuận tiện cho việc xem hình ảnh. Trong hệ thống này, độ sáng của hình ảnh được xác định bởi kích thước của khẩu độ của ống kính và khẩu độ của học sinh của mắt. Độ dài tiêu cự và độ phóng đại thu đượccủa vật kính phải được chọn để đạt được độ phân giải mong muốn của vật thể ở kích thước thuận tiện cho việc quan sát qua thị kính. Việc hình thành hình ảnh trong kính hiển vi rất phức tạp bởinhiễu xạ và giao thoa xảy ra trong hệ thống hình ảnh và do yêu cầu sử dụng nguồn sáng được chụp ảnh trong mặt phẳng tiêu điểm.




hình ảnh trong kính hiển vi; Lý thuyết tu việnHình ảnh trong kính hiển vi, theo lý thuyết Abbe. Các mẫu vật được chiếu sáng bằng ánh sáng từ bình ngưng. Ánh sáng này bị nhiễu xạ bởi các chi tiết trong mặt phẳng vật thể: cấu trúc chi tiết của vật thể càng nhỏ thì góc nhiễu xạ càng rộng. Cấu trúc của đối tượng có thể được biểu diễn dưới dạng tổng các thành phần hình sin. Sự nhanh chóng của sự biến thiên trong không gian của các thành phần được xác định bởi chu kỳ của mỗi thành phần, hoặc khoảng cách giữa các đỉnh liền kề trong hàm hình sin. Tần số không gian là nghịch đảo của chu kỳ. Chi tiết càng mịn thì tần số không gian yêu cầu của các thành phần thể hiện chi tiết đối tượng càng cao. Mỗi thành phần tần số không gian trong vật thể tạo ra nhiễu xạ ở một góc xác định phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Ví dụ ở đây, một mẫu vật có cấu trúc có tần số không gian là 1.000 vạch trên milimét tạo ra nhiễu xạ với góc 33,6 °. Vật kính của kính hiển vi thu thập các sóng nhiễu xạ này và hướng chúng đến mặt phẳng tiêu điểm, nơi giao thoa giữa các sóng nhiễu xạ tạo ra hình ảnh của vật thể.Encyclopædia Britannica, Inc.
Lý thuyết hiện đại về sự hình thành ảnh trong kính hiển vi được nhà vật lý người Đức thành lập năm 1873 Tu viện Ernst . Điểm khởi đầu cho lý thuyết Abbe là các vật thể trong tiêu diện của kính hiển vi được chiếu sáng bằng ánh sáng hội tụ từ một tụ điện. Ánh sáng hội tụ từ nguồn có thể coi là tập hợp của nhiều sóng phẳng truyền theo một phương xác định và chồng lên nhau tạo thành chiếu tới . Mỗi sóng mặt phẳng hiệu dụng này đều bị nhiễu xạ bởi các chi tiết trong mặt phẳng vật thể: cấu trúc chi tiết của vật thể càng nhỏ thì góc nhiễu xạ càng rộng.
Cấu trúc của đối tượng có thể được biểu diễn dưới dạng tổng các thành phần hình sin. Độ nhanh của biến thiên trong không gian của các thành phần được xác định bởi chu kỳ của mỗi thành phần, hoặc khoảng cách giữa các đỉnh lân cận trong hàm hình sin. Tần số không gian là nghịch đảo của chu kỳ. Chi tiết càng mịn thì tần số không gian yêu cầu của các thành phần thể hiện chi tiết đối tượng càng cao. Mỗi thành phần tần số không gian tạo ra nhiễu xạ ở một góc cụ thể phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Ví dụ, các thành phần tần số không gian có chu kỳ 1 μmsẽ có tần số không gian là 1.000 dòng trên milimét. Góc nhiễu xạ của một thành phần như vậy đối với ánh sáng nhìn thấy có bước sóng 550 nanomet (nm; 1 nanomet là 10 −9 mét) sẽ là 33,6 °. Vật kính của kính hiển vi thu thập các sóng nhiễu xạ này và hướng chúng đến một mặt phẳng ảnh, tại đó sự giao thoa giữa các sóng nhiễu xạ tạo ra hình ảnh của vật thể.Vì độ mở của vật kính bị hạn chế nên không phải vật kính nào cũng có thể truyền được các sóng nhiễu xạ từ vật thể. Abbe đã chỉ ra rằng số lượng sóng nhiễu xạ đến vật kính càng lớn thì chi tiết có thể được tái tạo trong ảnh càng tốt. Anh ấy chỉ định thuật ngữkhẩu độ số (NA) làm thước đo khả năng thu thập ánh sáng nhiễu xạ của vật kính và do đó cũng là khả năng phân giải chi tiết của vật kính. Trên cơ sở này rõ ràng là vật kính có độ phóng đại càng lớn thì NA yêu cầu của vật kính càng lớn. Về mặt lý thuyết, NA lớn nhất có thể trong không khí là 1,0, nhưng các hạn chế về thiết kế quang học giới hạn NA có thể đạt được khoảng 0,95 đối với vật kính khô.
Đối với ví dụ ở trên về một mẫu vật có tần số không gian là 1.000 vạch trên milimét, NA yêu cầu để thu thập ánh sáng nhiễu xạ sẽ là 0,55. Do đó, phải sử dụng vật kính 0,55 NA hoặc lớn hơn để quan sát và thu thập dữ liệu hữu ích từ một đối tượng có các chi tiết cách nhau 1 μm. Nếu vật kính có NA thấp hơn, các chi tiết của vật thể sẽ không được phân giải. Nỗ lực phóng to chi tiết hình ảnh bằng cách sử dụng thị kính công suất cao sẽ không làm tăng độ phân giải. Điều kiện sau này được gọi làđộ phóng đại rỗng.Bước sóng của ánh sáng bị rút ngắn khi nó truyền qua một môi trường đặc. Để giải quyết các chi tiết nhỏ nhất có thể, vật kính ngâm có thể thu thập ánh sáng bị nhiễu xạ bởi các chi tiết nhỏ hơn vật kính có thể trong không khí. NA được nhân với chỉ số khúc xạ của môi trường và NA làm việc là 1,4 có thể. Trong các kính hiển vi quang học tốt nhất, có thể quan sát các cấu trúc có tần số không gian nhỏ tới 0,4 μm. Lưu ý rằng các thấu kính đơn do Leeuwenhoek sản xuất đã được chứng minh là có khả năng phân giải các sợi chỉ dày 0,7 μm.