Quang học

Có một số giới hạn hình học rõ ràng áp dụng cho việc thiết kế quang học của kính hiển vi . Có thể đạt đượcđộ phân giải , hoặc khoảng cách nhỏ nhất mà tại đó hai điểm có thể được nhìn thấy tách biệt khi quan sát qua kính hiển vi, là đặc tính quan trọng đầu tiên. Điều này thường được thiết lập bởi khả năng phân biệt chi tiết của mắt, cũng như bởi vật lý cơ bản của sự hình thành hình ảnh.

Khả năng phân biệt chi tiết của mắt được xác định bởi một số yếu tố, bao gồm mức độ chiếu sáng và mức độ tương phản giữa vùng sáng và vùng tối trên vật thể. Trong điều kiện ánh sáng hợp lý, một mắt bình thường có thị lực tốt có khả năng nhìn thấy hai điểm có độ tương phản cao nếu chúng điều chỉnh góc nhìn có kích thước ít nhất một vòng cung phút. Do đó, trên danh nghĩakhoảng cách xem 25 cm (10 inch), các điểm phải cách nhau ít nhất 0,1 mm (0,004 inch) để mắt nhìn chúng tách biệt. Với một kính lúp đơn giản 10 ×, một người quan sát có thể nhìn thấy hai điểm cách nhau có lẽ 0,01 mm (0,0004 inch); và với một kính hiển vi phức hợp phóng đại 100 ×, người ta có thể mong đợi người quan sát có thể phân biệt hai điểm chỉ cách nhau 0,001 mm (0,00004 inch). Tuy nhiên, một sự phức tạp khác phát sinh đối với độ phóng đại cao gặp phải trong kính hiển vi phức hợp. Khi các kích thước được phân giải tiếp cận với bước sóng ánh sáng, phải xem xét đến ảnh hưởng của nhiễu xạ đối với khả năng phân giải chi tiết của mắt đối với các vật thể ( xem bên dưới Lý thuyết về sự hình thành ảnh ).

Độ phân giải và khả năng thu ánh sáng của kính hiển vi được xác định bởi khẩu độ số (NA) của vật kính. NA được định nghĩa là sin của một nửa góc của hình nón ánh sáng từ mỗi điểm của vật có thể nhận bởi vật kính nhân với chiết suất (RI) của môi trường mà vật được nhúng. Do đó, NA tăng khi thấu kính trở nên lớn hơn hoặc RI tăng. Các giá trị điển hình cho vật kính hiển vi NA nằm trong khoảng từ 0,1 đối với vật kính có độ phóng đại thấp đến 0,95 đối với vật kính khô và 1,4 đối với vật kính ngâm trong dầu. AVật kính khô là vật kính tác dụng với không khí giữa mẫu vật và vật kính. AnVật kính ngâm cần một chất lỏng, thường là dầu trong suốt có cùng RI như thủy tinh, để chiếm không gian giữa vật thể và phần trước của vật kính.

Giới hạn độ phân giải được thiết lập bởi bước sóng ánh sáng và NA Độ phân giải có thể được cải thiện bằng cách tăng NA của thấu kính hoặc bằng cách sử dụng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn. Trong vật kính ngâm , bước sóng hiệu dụng của ánh sáng bị giảm bởi chiết suất của phương tiện truyền thông mà đối tượng được khảo sát nằm trong đó. Việc sử dụng kỹ thuật hình ảnh ngâm trong kính hiển vi giúp cải thiện khả năng phân giải của kính hiển vi.

Thành phần cơ khí

Kính hiển vi ống thân ngăn cách vật kính và thị kính và đảm bảo quang học được căn chỉnh liên tục. Nó là một chiều dài tiêu chuẩn hóa, liên quan đến nhân trắc học với khoảng cách giữa chiều cao của băng ghế hoặc mặt bàn (trên đó kính hiển vi đứng) và vị trí của mắt người quan sát đang ngồi. Nó thường được trang bị một tháp pháo xoay cho phép hoán đổi các mục tiêu của các công suất khác nhau với sự đảm bảo rằng vị trí hình ảnh sẽ được duy trì. Theo truyền thống, chiều dài của thân ống được xác định là khoảng cách từ đầu trên của vật kính đến đầu thị kính của ống.

Chiều dài thân ống tiêu chuẩn là 160 mm (6,3 inch) đã được chấp nhận cho hầu hết các mục đích sử dụng. (Kính hiển vi kim loại có thân ống 250 mm [10 inch].) Vật kính của kính hiển vi được thiết kế để giảm thiểu quang sai ở chiều dài ống được chỉ định. Việc sử dụng các khoảng cách khác sẽ ảnh hưởng đến cân bằng quang sai đối với các vật kính có độ phóng đại cao. Do đó, việc lấy nét của kính hiển vi truyền thống đòi hỏi phải di chuyển vật kính, ống và thị kính như một đơn vị cứng. Để đạt được điều này, toàn bộ ống được lắp một cơ cấu giá đỡ và bánh răng cho phép nó, cùng với vật kính và thị kính, có thể di chuyển về phía hoặc ra khỏi mẫu vật.

Mẫu vật thường được gắn trên kính cầu trượt. Các slide của kính hiển vi thông thường được cố định ở kích thước 3 × 1 inch trong thời đại Victoria và vẫn được sản xuất với số liệu tương đương với các kích thước đó (7,5 × 2,5 cm) ngày nay. Mẫu thử, thường được ngâm trong vật liệu có RI khớp với vật liệu của phiến kính, được phủ một lớp bìa mỏng. Giai đoạn cơ học mà cầu trượt nằm trên đó được trang bị một cặp điều khiển có tính năng sắp xếp giá đỡ và bánh răng. Điều này cho phép di chuyển lam kính trên bề mặt theo hai hướng để có thể kiểm tra các vùng khác nhau của mẫu vật. Kính hiển vi điều khiển bằng máy tính theo dõi vị trí của phiến kính và có thể quay trở lại các khu vực được chỉ định của mẫu khi được yêu cầu.

Độ chính xác mà việc lấy nét và chuyển động của trang chiếu phải được duy trì tăng lên khi độ sâu tiêu điểm của vật kính giảm. Đối với các vật kính NA cao, độ sâu tiêu điểm này có thể nhỏ đến 1 hoặc 2 μm , có nghĩa là các thành phần cơ học phải cung cấp chuyển động ổn định ở mức tăng nhỏ hơn.

Một số phương pháp đã được giới thiệu để đạt được chuyển động ổn định chính xác như vậy với chi phí hợp lý. Một số nhà thiết kế đã loại bỏ cơ chế trượt của thân ống, kết hợp các điều chỉnh cho chuyển động thẳng đứng cần thiết để lấy nét, cũng như chuyển động ngang của đối tượng, trong một hệ thống cơ học duy nhất . Một cách tiếp cận khác là gắn một vật kính chuyển tiếp kép tiêu cự 160 mm (6,3 inch) vào đầu dưới của ống. Ống kính dạng ống này được thiết kế để nhận ánh sáng từ ảnh tạo bởi vật kính ở vô cực. Bản thân vật kính được thiết kế để điều chỉnh quang sai thành vô hạnkhoảng cách hình ảnh. Một ưu điểm của phương pháp này là, vì hình ảnh được chuyển tiếp ở vô cực, bản thân vật kính của kính hiển vi, một thành phần rất nhẹ, có thể được di chuyển để lấy nét hiệu ứng mà không làm ảnh hưởng đến việc điều chỉnh quang sai.

Trong một số kính hiển vi, thị kính được thiết kế như một phần của ống kính thu phóng , cho phép thay đổi độ phóng đại liên tục trong một phạm vi giới hạn mà không làm mất tiêu điểm. Kính hiển vi như vậy được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.