- Страница 0 - название энциклопедической статьи.
- Страницы 1, ... - доп. материал, связанный с энциклопедической статьей, указывать в "Ссылки".
- Страница: инфо , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25
Критически оценивая основные положения теории Аббе, Альтман писал: Подробности, меньшие 0,01 мм, изображаются при помощи дифракционных пучков. По мнению Альтмана, качество микроскопического изображения зависело в основном от оптических свойств наблюдаемых в микроскоп объектов (показателей преломления их отдельных частей, различия в цветовой окраске, степени их прозрачности и т.п.).
Ответ Аббе Альтману не заставил себя долго ждать и был написан им в очень эмоциональной форме [1]. Он содержал в себе не только критику положений Альтмана, но и подробное разъяснение теории вторичного изображения в микроскопе. В полемике с Альтманом Аббе впервые дал понять, в чем состоит различие между изображениями самосветящихся и несамосветящихся объектов наблюдения.
Альтман не был удовлетворен ответом Аббе. В двух cвоих последующих статьях он отстаивал свою прежнюю точку зрения [2]. Но Аббе оставил эти статьи без внимания, полагая, видимо, что все и так ясно.
Однако на самом деле вопрос этот не был столь простым. В 1896 г. появилась работа лорда Рэлея "О теории оптических изображений, специально в приложении к микроскопу" [3]. Теория разрешающей способности оптических инструментов Рэлея базировалась на результатах работ английского астронома Г. Эри, который в первой половине XIX в. показал, что одиночная светящаяся точка (например, звезда) вследствие дифракции на границах зрачка изображается оптической системой в виде кружка рассеяния, состоящего из яркого ядра и окаймляющих его чередующихся темных и светлых колец. При этом освещенность светлых колец по мере удаления от центра существенно падает. Таким образом, оптическая система никогда не изображает точку в виде точки. С одной стороны, этому препятствуют аберрации оптической системы, а с другой - волновая природа света.
Осмысливая картину изображения двух близко расположенных точек, Д. Рэлей в 80-х годах XIX в. сделал вывод о том, что две равнояркие точки видны раздельно, если центр кружка Эри одной точки совпадает с первым минимумом второй точки. Этот вывод, известный как "критерий Рэлея", давал возможность установить числовое значение разрешающей способности любой оптической системы. Из него вытекало, что угловое расстояние между изображениями двух равноярких точек, которые видны раздельно ( ψ), равно расстоянию от центра до первого максимума каждой точки: ψ = 1,22λ / D где λ - длина световой волны, D - диаметр входного зрачка.
С современной точки зрения, как метод Рэлея, так и метод Аббе - правильны и не исключают, а, скорее, дополняют друг друга. Сначала предполагали, что анализ Аббе применим только к освещенным объектам, или, по современной терминологии, к изображениям в когерентном свете. Рэлей же наглядно продемонстрировал, что он применим и к самосветящимся объектам (т.е. для изображений в некогерентном свете). Рэлей также установил, что пределы разрешения для когерентного и некогерентного случаев отличаются в два раза. Самое важное в работах Рэлея то, что он продемонстрировал применимость методологии Фурье для исследования качества оптического изображения.
Рассуждения Аббе о возможности повышения разрешающей способности микроскопа[]
Первый путь, которым пошел Аббе, стремясь повысить разрешающую способность микроскопа, состоял в увеличении его апертуры.
Аббе рассуждал следующим образом. Предел разрешения микроскопа d определяется формулой
- ,
где λ0 - длина волны в вакууме; n - показатель преломления среды, находящейся между наблюдаемым предметом и объективом микроскопа; u - апертурный угол; А -числовая апертура объектива микроскопа.
Из формулы видно, что разрешающую способность микроскопа можно повысить за счет трех факторов: апертуры, показателя преломления и длины волны. Апертурный угол теоретически не может быть больше 180°. Практически же этот угол значительно меньше, так как невозможно поместить объект наблюдения на нулевом расстоянии от объектива. Кроме того, величина апертурного угла не ограничивается возможностью исправлять аберрации объективов с большими апертурными углами. Систематические упорные исследования Аббе в этом направлении очень скоро привели его к пределу на этом пути. Уже в 1873 г. он установил, что микроскоп в отношении величины апертурного угла настолько приблизился к достижимому пределу, что дальнейшие успехи на этом пути вряд ли были возможны.
В начале XX в. наметились некоторые сдвиги в решении этого вопроса. Для наблюдения частиц, размеры которых находятся за пределами разрешающей способности оптических микроскопов, австрийские физики Р. Зидентопф и Р. Зигмонди предложили в 1903 г. так называемый "метод темнового поля", состоящий в сильном боковом освещении объекта таким образом, чтобы ни один луч, идущий от осветительного устройства, не попал в глаз наблюдателя. При этом освещенное тело, рассеивающее свет, наблюдатель видит в виде ярких точек на темном фоне. Микроскоп, в котором был реализован указанный принцип, получил название ультрамикроскопа. На рис. 6 приведена схема щелевого ультрамикроскопа Зидентопфа и Зигмонди.
Рис.6. Схема щелевого ультрамикроскопа Р. Зидентопфа и Р. Зигмонди (1903 г.). Образование темнопольного изображения: а - при прямом, б - при косом освещении объекта; 1 - осветитель; 2 - зеркало; 3 - затемняющая пластинка; 4 - объектив; 5 - темное поле.
В 1913 г. в целях повышения апертуры обектива микроскопа, Зигмонди предложил конструкцию ультрамикроскопа, в котором осветительный и наблюдательный объективы касались друг друга. При этом наблюдения производились без кюветы, а раствор помещался непосредственно между объективами. В дальнейшем было обнаружено, что наблюдения по методу темнового поля можно проводить и с обычным микроскопом, снабженным специальным конденсором.
Для наблюдения по методу темнового поля непрозрачных объектов был сконструирован осветитель, состоящий из конденсора, кольцевого плоского и параболического зеркал, направляющих лучи на объект наблюдения под большими углами и позволяющий увидеть светлые частицы на темном фоне. Весьма удачная конструкция ультрамикроскопа была разработана в 50-х годах XX в. советскими физиками Б.В. Дерягиным и Г.Я. Власенко.
Метод ультрамикроскопии дал возможность увидеть коллоидные частицы диаметром менее 4x10-6 мм. С помощью этого метода были выявлены основные закономерности броуновского движения, а также исследован процесс поглощения света коллоидами в жидкости.
Следующая идея Аббе в изыскании средств повышения разрешающей способности микроскопа была связана с повышением показателя преломления (n) посредством применения иммерсионных объективов (пространство между наблюдаемым объектом и объективом заполнялось средой с более высоким показателем преломления, чем воздух). Однако для достижения желаемого результата объект наблюдения следовало также помещать в среду с более высоким показателем преломления. Последнее сильно ограничивало эффективность использования иммерсионного метода, так как часто не представляется возможным поместить наблюдаемый объект в среду с достаточно высоким показателем преломления без повреждения самого объекта.
Тем не менее во второй половине XIX в. появляется целый ряд иммерсионных систем объективов, в которых пространство между предметом и объективом заполнено средой с показателем преломления, существенно большим единицы. В 60-х годах XIX в. иммерсионные системы были созданы немецкими оптиками Гартнаком и Мерцем. Следуя идее итальянского оптика Амичи, они помещали между объективом и покровным стеклом микроскопа жидкость (воду, глицерин, маковое масло). В своих воспоминаниях Гартинг дает следующую характеристику первым иммерсионным системам:
Гартнак в этой системе последовал примеру, данному Амичи в 1850 г., и поместил между покровным стеклом и свободной поверхностью нижней линзы тонкий слой воды... Так как вода сильнее преломляет, чем воздух, то благодаря этому значительно ослабляется, или даже совсем отпадает, отражение света с поверхности объектива. Поэтому в микроскоп попадает большее количество лучей, и, таким образом, тонкий слой воды производит то же самое действие, что и увеличение апертуры микроскопа. Это благоприятное действие сказывается преимущественно на краевых лучах, падающих наиболее косо... поэтому указанный слой должен повышать разрешающую способность микроскопа.
В 1878 г. Аббе совместно со Стефенсоном изготовили масляный иммерсионный объектив. Они назвали его объективом с гомогенной иммерсией. Этот объектив был рассчитан на применение кедрового масла и имел существенные преимущества перед объективом с водной иммерсией, созданным итальянским оптиком Амичи. 10 января 1879 г. на оптическом заводе в Йене Аббе сделал доклад о новом иммерсионном объективе и продемонстрировал его возможности.
Применяя иммерсионные системы, удалось достичь увеличения разрешающей способности микроскопа в 1,34 раза. О возможностях дальнейшего повышения разрешающей способности микроскопа Аббе говорил следующее:
Можно предполагать, что техника со временем изыщет оптически годные для изготовления объективов среды, показатели преломления которых будут значительно больше, чем у известных нам теперь сортов стекла; что могут быть изысканы также и жидкости со значительно более высоким показателем преломления, чем у известных в настоящее время. Все это может сделать иммерсионный метод более эффективным[4].
Исключительно интересны идеи Аббе, касающиеся повышения разрешающей способности микроскопа за счет уменьшения длины волны света, с помощью которого образуется изображение. Аббе писал:
Тем самым остается возможность в расширении пределов разрешающей способности микроскопов. При наблюдении с помощью белого света в образовании видимого глазом изображения доминируют те лучи, которые обладают наибольшей интенсивностью в видимом спектре. Длина волны таких лучей, как правило, соответствует желто-зеленому цвету, т.е. может быть принята приблизительно равной 0,55 мкм. Более короткие волны, соответствующие синим лучам, позволяют вести наблюдение в монохроматическом свете с большим эффектом; полезность этого способа при наблюдении мельчайших деталей уже давно известна микроскопистам.
Еще благоприятнее становятся условия образования изображения при фотографической съемке объектов через микроскоп, так как при этом являются наиболее подходящими фиолетовые лучи с длиной волны, равной примерно 0,40 мкм. Многочисленными опытами установлено, что разрешающая сила объектива значительно выше в том случае, когда он используется для фотографии, по сравнению с тем случаем, когда оно применяется визуально. Фотографический снимок не только обнаруживает более тонкие детали, но и дает большую гарантию сходства изображения с материальным объектом, что является весьма ценным свойством микрофотографии для трудных условий наблюдения даже там, где речь идет не о пределе разрешения, а где подобие изображения объекту является в какой-то степени проблематичным.
Ничто не препятствует идти дальше в этом направлении и мыслить себе микроскопические наблюдения с помощью лучей, лежащих сколь угодно далеко за пределами видимого спектра в ультрафиолетовой области. Хотя получаемые в этом случае изображения наблюдать непосредственно невозможно, зато их можно сделать видимыми с помощью флюоресцирующих веществ. Оптика при этом должна располагать для изготовления объективов материалами, которые были бы по меньшей мере столь же прозрачны для ультрафиолетовых лучей, что и горный хрусталь, и не имели его других свойств, исключающих возможность использования его для этих целей; одновременно должны быть найдены среды для объектов и иммерсионные жидкости, прозрачные также и для ультрафиолетовых лучей. Это указание свидетельствует о том, насколько нужно оторваться от реального опыта, чтобы рассчитывать на существенные сдвиги в микроскопии с этой точки зрения[5].
Эти идеи Аббе о возможности использования ультрафиолетовых лучей для повышения разрешающей способности микроскопов были реализованы в 1904 г. в конструкции микроскопа, созданного сотрудниками фирмы "Карл Цейсc" Р. Келером и М. Рором. При разработке микроскопа, работающего в ультрафиолетовых лучах, конструкторы столкнулись с большими трудностями, связанными с изысканием оптических материалов, прозрачных в ультрафиолетовой области спектра, и созданием средств регистрации изображения в ультрафиолетовых лучах.
В качестве оптического материала линз для этих микроскопов оказались пригодными кварц и фтористый литий. Для регистрации изображения были использованы фотографические пластинки. В дальнейшем методы наблюдения микроскопических объектов в ультрафиолетовых лучах были развиты в работах английских физиков Д. Бернарда, Л. Мартина и советского ученого Е.М. Брумберга.
В 1939 г. Е.М. Брумберг предложил оригинальный метод цветной трансформации, который давал возможность преобразовывать невидимое глазом ультрафиолетовое изображение в видимое. Это видимое изображение возникало в условных цветах, которые характеризовали распределение различных веществ в исследуемом объекте.
Применение метода цветной трансформации потребовало создания новых ахроматических объективов, способных работать в ультрафиолетовой области спектра. Такие объективы, выполненные по схеме зеркально-линзовых систем, были созданы советскими оптиками С.А. Гершгориным, Е.М. Брумбергом и П.Д. Радченко.
Примечания[]
- ↑ Abbe E. Uber die Grenzen der geometrischen Optik / Mit Vorbemerkungen iiber die Abhandlung von Altmann. - S. - Ber. Jenaisch. Ges. Med. und Naturwiss., 1880.
- ↑ Altmann. Uber die Vorbemerkungen des H. Prof. Abbe. - Arch. Anat, 1880.
- ↑ Lord Rayleigh. On the theory of optical images with special reference to the microscope. - Phil. Mag. Ser. V, 1896, vol. 42.
- ↑ Abbe E. Gesammelte Abhandlungen, Bd. I, S. 149.
- ↑ Ibid., S. 151.
Ссылки[]
См. также-Литература[]
|
Это незавершённая статья. Вы поможете проекту, исправив и дополнив её.
|