Способы увеличения разрешающей способности. Ход лучей в световом микроскопе. Полезное увеличение микроскопа

Микроскоп, как оптический прибор. Разрешающая способность микроскопа.

Микроскоп (от микро... и греческого skopeo — смотрю) - это оптический прибор для получения сильно увеличенного изображения изучаемого очень маленького объекта, невидимого невооружённым глазом. При помощи микроскопа можно рассмотреть мелкие детали строения объекта, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза.

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, которая характеризуется определённым разрешением. Разрешением оптической системы называется наименьшее расстояние между элементами наблюдаемого объекта, при котором эти элементы ещё могут быть отличены один от другого (под элементами объекта мы понимаем точки или линии).

Если объект удален на так называемое расстояние наилучшего видения, которое составляет250 мм, то для нормального человеческого глаза минимальное разрешение составляет примерно0,1 мм, а у многих людей — около0,2 мм. Примерно это соответствует толщине человеческого волоска. Размеры объектов, таких как растительные и животные клетки, мелкие кристаллы, детали микроструктуры металлов и сплавов и т.п., значительно меньше0,1 мм. Такие объекты принято называть микрообъекты. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы различных типов. С помощью микроскопа определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. Оптический микроскоп даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм, т.е. разрешающая способность такого микроскопа составляет около 0,20 мкм или 200 нм.

Когда говорят о разрешающей способности микроскопа, подразумевают, также как и под разрешающей способностью человеческого глаза, раздельное изображение двух близко расположенных объектов. Однако, нужно понимать, что разрешающая способность и увеличение - это не одно и тоже. Например, если при помощи систем визуализации получить со светового микроскопа фотографии двух линий, расположенных на расстоянии менее 0,20 мкм (т.е. менее разрешающей способности микроскопа), то, как бы мы не увеличивали изображение, линии все равно будут сливаться в одну. Т.е. мы сможем получить большое увеличение, но не улучшим его разрешение. Общее увеличение микроскопа равно произведению линейного увеличения объектива на угловое увеличение окуляра. Значения увеличений гравируются на оправах объективов и окуляров. Рассмотрим микроскоп плоского поля (не стереоскопический). Это биологические микроскопы, металлографические, поляризационные. Обычно объективы такого микроскопа имеют увеличения от 4 до 100 крат, а окуляры — от 5 до 16. Поэтому общее увеличение оптического микроскопа лежит в пределах от 20 до 1600 крат. Разумеется, технически возможно разработать и применить в микроскопе объективы и окуляры, которые дадут общее увеличение, значительно превышающее 1600 крат (например, существуют окуляры с увеличением 20 крат, которые в паре с объективом 100 крат дадут увеличение 2000 крат). Однако, обычно это нецелесообразно. Большие увеличения не являются самоцелью оптической микроскопии. Назначение микроскопа состоит в том, чтобы обеспечить различение как можно более мелких элементов структуры препарата, т.е. в максимальном использовании разрешающей способности микроскопа. А она имеет предел, обусловленный волновыми свойствами света. Таким образом, различают полезное и неполезное увеличение микроскопа. Полезное увеличение - это когда можно выявить новые детали строения объекта, а неполезное - это увеличение, при котором, увеличивая объект в сотни и более раз, нельзя обнаружить новых деталей строения объекта.

Еще раз остановимся на понятии разрешающей способности. Разрешающая способность оптических приборов (так же ее называют разрешающая сила) характеризует способность этих приборов давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются, называется линейным или угловым пределом разрешения. Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличений, которые мы получаем с помощью микроскопа. Увеличения до 1250 крат называют полезными, т. к. при них мы различаем все элементы структуры объекта. При этом возможности микроскопа по разрешающей способности исчерпываются. Это увеличение получаем при использовании объектива 100 крат, работающего с масляной иммерсией, и окуляра 12,5 крат (полезное увеличение окуляров лежит от 7,5 до 12,5 крат). При увеличениях свыше 1250 крат не выявляются никакие новые детали структуры препарата. Однако иногда такие увеличения используют — в микрофотографии, при проектировании изображений на экран и в некоторых других случаях.

Когда необходимо существенно более высокое полезное увеличение, используют электронный микроскоп. Этот микроскоп обладает существенно более высокой разрешающей способностью, нежели оптический микроскоп. Электронный микроскоп - это прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30—100 кэв и более) в условиях глубокого вакуума.

Классификация световых микроскопов и области их применения

По строению оптической схемы различают прямые (объективы, насадка и окуляры расположены над объектом) и инвертированные (объект находится над оптической системой, формирующей изображение) микроскопы. Также различают микроскопы плоского поля (дающие двухмерное изображение) и стереоскопические микроскопы (объемное - трехмерное изображение).

По способам освещения разделяют микроскопы проходящего света (изображение формируется светом, проходящим через объект) и отраженного света (изображение формируется светом, отраженным от поверхности объекта).

Микроскопы можно разделить также по методам исследования:

Светлого поля (на светлом фоне выделяется более темный объект);

Темного поля (на темном фоне выделяется светлый объект или его краевые структуры);

Фазового контраста (на светло-сером фоне наблюдается темно-серый рельефный объект);

Люминесценции (на темном фоне выделяются светящиеся объекты или части объекта);

Поляризованного света (наблюдается ярко окрашенное в различные цвета или оттенки изображение объекта).

Можно выделить следующиеобласти применения световых микроскопов:

Биологические микроскопыдля лабораторных биологических и медицинских исследований прозрачных объектов. Доступны режимы светлого и темного поля, фазовый контраст, поляризованный и люминесцентный свет.

Стереоскопические микроскопыв лабораториях и на различных производствах для получения увеличенных изображений объектов во время проведения рабочих операций. Возможна работа в отраженном и проходящем свете. Доступны режимы светлого и темного поля.

Металлографические микроскопыв научных и промышленных лабораториях для исследования непрозрачных объектов. Работа в отраженном свете. Доступны режимы светлого и темного поля, фазовый контраст, поляризованный свет.

Поляризационные микроскопыв научных и исследовательских лабораториях для специализированных исследований в поляризованном свете. Возможна работа в отраженном и проходящем свете. Доступны режимы светлого и темного поля.

Объективы и окуляры для микроскопов

Объектив микроскопа - микрообъектив представляет собой сложную оптическую систему, образующую увеличенное изображение объекта, и является основной и наиболее ответственной частью микроскопа. Микрообъектив создает действительное перевернутое изображение, которое рассматривается через окуляр.

Объективы различаются по оптическим характеристикам и конструкции:

По степени исправления хроматической аберрации: ахроматы, апохроматы и др.

С исправленной кривизной изображения: - планахроматы, планапохроматы.

По длине тубуса микроскопа -160 ммдля проходящего света,190 ммдля отраженного света, бесконечность - для проходящего и отраженного света;

По свойствам иммерсии: сухие системы (без иммерсии) и иммерсионные системы.

Объективы апохроматы отличаются от ахроматов степенью исправления хроматической аберрации. Благодаря более совершенному устранению дефектов изображения, связанных с хроматической аберрацией, качество изображения, получаемого при наблюдении цветных объектов (окрашенные срезы, микроорганизмы и т.п.), особенно при больших увеличениях, значительно выше при использовании апохроматов. Апохроматы, а также ахроматы большого увеличения применяются совместно с компенсационными окулярами. На оправе апохроматов обычно выгравировано АПО (APO). У ахроматов и апохроматов, особенно большого увеличения, остается неисправленной кривизна поля изображения.

к. т. н. Егорова О.В.,
эксперт Госстандарта РФ по оптическим приборам

Микроскоп является одним из основных приборов при проведении цитологических исследований. Качество его работы, как сложной оптической системы, определяется технологическими особенностями прибора и его элементов. Качество же изображения в первую очередь определяется природой построения изображения препарата световым потоком, прошедшим через него. По теории образования изображения в микроскопе, созданной на предприятии Карла Цейсса математиком и физиком Эрнстом Аббе (1840-1905) [показать] в 1872 году, изображение является совокупностью дифракционного и интерференционного свойства света.

2005 год объявлен годом Аббе за вклад в развитие оптического приборостроения и за организацию Фонда "Carl ZEISS", объединившего приборостроительный завод "Zeiss" и завод по производству стекла "Schott".

Оба эти свойства влияют на качество изображения и на точность воспроизведения объекта в изображении, а Август Келер (1866-1948) в 1883 году опубликовал предписания по правильному освещению микроскопических препаратов.

С другой стороны, качество изображения оптической системы зависит и от ее технологического совершенства (наличия остаточных аберраций - искажений, дефектов стекла), сборки и центрировки.

Важной количественной характеристикой качества изображения служит разрешающая способность. Остаточные искажения вызывают перераспределение световой энергии в дифракционной картине, а внутренние дефекты объектива (и всей оптической системы микроскопа) приводят к образованию вредного рассеянного света и геометрического искажения дифракционной картины, накладывающихся на оптическое изображение, что снижает разрешающую способность и контраст изображения.

Разрешающей способностью оптической системы называется ее свойство изображать раздельно две точки или две линии, расположенные в пространстве предметов. Мерой разрешающей способности служит наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками (линиями), изображения которых раздельно строятся оптической системой.

Оптическую систему принято считать совершенной, если разрешающая способность ограничена только дифракцией света на краях оправы объектива или апертурной диафрагмы конденсора. Дифракция света, обусловленная волновой природой света, нарушает прямолинейное распространение света; светящаяся точка изображается в виде круглого пятна, называемого кружком Эри, окруженного темными и светлыми кольцами убывающей яркости. Около 84% световой энергии сконцентрировано в центральном пятне, 7% - внутри первого светлого пятна и 9% - в остальных кольцах. Радиус р (рис. 1) первого темного кольца в плоскости изображения определяется выражением р = 1,22λ f , / D (1), где λ - длина волны света; f , - фокусное расстояние оптической системы; D - диаметр действующего отверстия системы (апертуры).

Величина р равна расстоянию между центрами изображения двух точек А и В; р можно определить по формуле р = 0,61λ / sin σ , , (2), где σ , - апертурный угол в пространстве изображений.

При λ = 0,560 мкм = 560 нм р = 0,34 / σ , где р измеряется в микрометрах.

Изображения двух светящихся точек, построенные оптической системой, представляют собой два пятна с нерезкими краями. По мере сближения точек пятна соприкасаются, потом перекрываются и затем сливаются (рис. 1).

Глаз может видеть две точки в плоскости изображения раздельно при некотором минимальном расстоянии р между ними и необходимой разности освещенностей в точке минимума а и максимумов А или В. Контрастная чувствительность для среднего глаза равна 5%. Отношение освещенности в точке а к освещенности в точке А или В достигает 85%.

Разрешающую способность оптических систем определяют с помощью штриховых или радиальных мир, выполненных на стеклянных пластинках (рис. 2). На темном фоне фотолитографическим способом нанесены светлые штрихи или сектора. Выпускают стандартные штриховые миры шести номеров (для оценки разрешающей способности объективов фотоаппаратов и других оптических приборов и узлов) и миру № 0 для автоколлимационной оценки разрешающей способности объективов микроскопа. Каждая мира состоит из 25 элементов, оцифрованных по краям и имеющих по четыре группы штрихов с шириной штриха, меняющейся от одного элемента к другому. Под шириной штриха понимают осевое расстояние между двумя соседними темными или светлыми полосами, т. е. суммарная ширина темной и светлой полос равна ширине одного штриха. Все стандартные миры имеют абсолютный контраст К = 1.

Разрешающую способность объектива микроскопа определяют в линейной мере. Для несамосветящихся объектов предел разрешения d = λ / A (3), где А - числовая апертура, равная произведению показателя преломления п среды между объективом и предметом и sin σ .

При наблюдении периодической структуры наименьшее расстояние d , согласно теории Аббе, зависит от апертуры объектива и апертуры конденсора: d = λ / (A + A k) , (4), где A k - числовая апертура конденсора.

Если апертура конденсора равна апертуре объектива, то разрешающая способность микроскопа для самосветящихся объектов определяется формулой d = λ / (2A) (5)

Таблица 1. Расчетные значения разрешающей способности объективов
А об	λ = 400 нм		λ = 550 нм			λ = 700 нм
	Р 1	Р 2	Р 1		Р 2	Р 1	Р 2
0,025	8,0	9,76	11,0		17,08	13,42	14,0
0,075	2,67	3,25	3,67		5,69	4,47	4,67
0,10	2,0	2,44	2,75		4,27	3,36	3,5
0,12	1,67	2,03	2,29		3,56	2,8	2,92
0,20	1,0	1,22	1,3		1,67	1,75	2,13
0,25	0,8	0,98	1,10		1,71	1,34	1,4
0,30	0,67	0,81	0,92		1,42	1,12	1,17
0,40	0,5	0,61	0,66		1,07	0,84	0,87
0,45	0,44	0,54	0,62		0,95	0,74	0,78
0,50	0,4	0,49	0,55		0,85	0,67	0,7
0,65	0,31	0,37	0,42		0,66	0,52	0,54
0,75	0,27	0,32	0,36		0,57	0,45	0,47
0,80	0,25	0,305	0,34		0,53	0,42	0,44
0,85	0,23	0,29	0,32		0,5	0,39	0,41
0,90	0,22	0,27	0,31		0,47	0,37	0,39
0,95	0,21	0,26	0,29		0,45	0,35	0,37
1,0	0,126	0,126	0,174		0,221	0,174	0,221
1,20	0,105	0,105	0,145		0,184	0,145	0,184
1,25	0,101	0,101	0,139		0,177	0,139	0,177
1,30	0,097	0,097	0,134		0,17	0,134	0,17
1,40	0,09	0,09	0,124		0,158	0,124	0,158
1,45	0,087	0,087	0,120		0,152	0,120	0,152
Р 1 - расчет по формуле (5)				Р 2 - расчет по формуле (2)

Следует отметить, что чем более тонкие исследования проводятся, тем более сопоставимым должно быть расчетное качество объектива и конденсора (осветительной системы). Например, новые исследовательские и универсальные микроскопы "Axio Imager" имеют принципиальный расчет IC2S оптики, уравнивающий качество объектива и осветительной системы.

Из приведенных формул следует, что чем короче длина волны света и больше апертура объектива, тем выше разрешающая способность объектива микроскопа.

Для увеличения разрешающей способности микроскопа можно использовать иммерсионные жидкости, которые заполняют пространство между рассматриваемым предметом и объективом микроскопа. Благодаря этому числовая апертура объектива микроскопа может быть доведена до 1,45, а предельное разрешаемое расстояние при λ = 0,56 мкм - до d = 0,17 мкм.

На повышение разрешающей способности влияет соотношение светового потока, прошедшего через препарат (апертура конденсора) и воспринятого объективом (апертура объектива). Если препарат контрастный (после проведенной обработки и окраски соответствующим способом), то по принципу Келера при настройке освещения допустимо раскрытие апертурной диафрагмы конденсора до величины числовой апертуры объектива или с помощью ирисовой диафрагмы размер апертурной диафрагмы конденсора может быть уменьшен на 1/3.

Таким образом, величина разрешающей способности может быть рассчитана как по формуле (5), так и по формуле (2) соответственно. Поэтому при работе с объективом А = 1,25 можно применять конденсор как с числовой апертурой А = 0,9 (сухой, разрешающая способность рассчитывается по формуле 2), так и А = 1,25 (иммерсионный, разрешающая способность рассчитывается по формуле 5), при этом не забываем, что для получения А = 1,25 на конденсор необходимо "капать" иммерсионное масло.

В табл. 1 представлены расчетные значения разрешающей способности объективов, традиционно применяемых для медико-биологических исследований.

На рис. 3 представлены примеры изображений при правильно настроенном микроскопе (а) и при неправильной настройке осветительной системы микроскопа (б, в). Как видно, неправильная настройка влияет на разрешающую способность микроскопа, а также на точность передачи элементов препарата в его изображении.

Как уже было сказано, разрешение может быть повышено за счет применения цветных светофильтров. Традиционными являются синий, зеленый, желтый и красный. Однако если синий и зеленый действительно влияют на повышение разрешающей способности, то желтый и красный работают на повышение контраста, т. е. усиливают разницу между средой и препаратом.

Таким образом, на разрешающую способность в микроскопе влияют:

• параметры объектива (числовая апертура объектива);
• возможность настройки освещения по Келеру (регулируемые полевая и апертурная диафрагмы, фокусировочное перемещение конденсора и возможность его центрировки, возможность центрировки нити лампы, если лампа не является самоцентрируемой);
• качество оптики микроскопа (расчетное и технологическое);
• применение светофильтров в коротковолновой области спектра (от УФ до зеленой).

Источник : И.П. Шабалова, Т.В.Джангирова, Н.Н.Волченко, К.К.Пугачев. Цитологический атлас: Диагностика заболеваний молочной железы.- М.-Тверь: ООО "Издательство "Триада", 2005

Разрешающая способность микроскопа характеризуется величиной, обратной линейному пределу разрешения. Согласно дифракционной теории Аббе линейный предел разрешения микроскопа, т. е. минимальное расстояние между точками предмета, которые изображаются как раздельные, определяется по формуле

где линейный предел разрешения; длина волны света, в котором проводится наблюдение; А - числовая апертура, или просто апертура, микроскопа (микрообъектива).

Из формулы (324) следует, что для повышения разрешающей способности микроскопа нужно уменьшать длину волны света и увеличивать числовую апертуру микроскопа. Первая возможность реализуется путем фотографирования исследуемых предметов в ультрафиолетовом излучении.

Апертура микроскопа определяется по формуле где Значение апертурного угла современных высококачественных микрообъективов доведено практически до предела.

Другая возможность увеличения апертуры - применение иммерсионной жидкости, помещаемой между рассматриваемым предметом и микрообъективом. В качестве такой жидкости используют воду кедровое масло монобромнафталин

Чтобы глаз наблюдателя мог полностью использовать разрешающую способность микроскопа, определяемую по формуле (324), необходимо иметь соответствующее видимое увеличение. Если две точки передней фокальной плоскости оптической системы расположены друг от друга на линейном расстоянии (рис. 157), то

Рис. 157. Схема для определения полезного увеличения микроскопа

угловое расстояние между этими точками в пространстве изображений

Глаз наблюдателя будет воспринимать эти точки как раздельные, если угловое расстояние между ними будет не меньше углового предела разрешения глаза

Из формул (325), (324) и (317) следует, что видимое увеличение микроскопа

По последней формуле можно определить минимальное видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа. Это увеличение называется полезным. При использовании формулы (326) следует иметь в виду, что во многих случаях диаметр выходного зрачка микроскопа составляет Это приводит к увеличению углового предела разрешения глаза до Если взять среднюю длину волны в видимой области спектра то при угловом пределе разрешения глаза согласно (326) для полезного увеличения микроскопа получим.

Увеличение системы – важный фактор, в основе которого лежит выбор того или другого микроскопа в зависимости от решения необходимых задач. Все мы привыкли к тому, что проводить контроль полупроводниковых элементов необходимо на инспекционном микроскопе с увеличением 1000 и более крат, изучать насекомых можно, работая с 50 кратным стереомикроскопом, а луковые чешуйки, окрашенные йодом или зеленкой, мы изучали в школе на монокулярном микроскопе, когда понятие увеличения еще не было нам знакомо.

Но как интерпретировать понятие увеличения, когда перед нами находится цифровой или конфокальный микроскоп, а на объективах стоят значения 2000х, 5000х? Что это означает, будет ли 1000 кратное увеличение на оптическом микроскопе давать изображение, аналогичное цифровому 1000 кратному микроскопу? Об этом вы узнаете в этой статье.

Оптическое увеличение системы

Когда мы работаем с лабораторным или стереоскопическим микроскопом, подсчет текущего увеличения системы не составляет труда. Необходимо перемножить увеличение всех оптических компонентов системы. Обычно, в случае стереомикроскопа это объектив, трансфокатор или увеличительный барабан и окуляры.
В случае обычного лабораторного микроскопа дело обстоит еще проще – общее увеличение системы = кратность окуляров умноженная на кратность объектива, установленного в рабочую позицию. Важно помнить, что иногда встречаются специфические модели тубусов микроскопа, имеющие увеличивающий или уменьшающий фактор (особенно распространено для старых моделей микроскопов Leitz). Также, дополнительные оптические компоненты, будь то источник коаксиального освещения в стереомикроскопе или промежуточный адаптер для камеры, располагающийся под тубусом, могут иметь дополнительный фактор увеличения.

Дополнительные оптические компоненты иногда имеют свой фактор увеличения, отличный от 1. В данном случае, коаксиальный осветитель (поз. 2) стереомикроскопа Olympus SZX16 имеет дополнительный увеличивающий фактор 1,5х.

К примеру, стереомикроскоп с окулярами 10х, объективом 2х, трансфокатором в позиции 8х и блоком коаксиального освещения с фактором 1,5х будет обладать общим оптическим увеличением 10х2х8х1,5 = 240 крат.

Принципиальная схема получения изображения на световом микроскопе. Окуляр увеличивает изображение, построенное объективом и формирует мнимое изображение.

Под оптическим увеличением (Г) в таком случае следует понимать отношение тангенса угла наклона луча, вышедшего из оптической системы в пространство изображений, к тангенсу угла сопряженного ему луча в пространстве предметов. Либо отношение длины, сформированного оптической системой изображения отрезка, перпендикулярного оси оптической системы, к длине самого отрезка

Геометрическое увеличение системы

В случае, когда у системы нет окуляров, а увеличенное изображение формируется камерой на экране монитора, к примеру, как на микроскопе , следует переходить к термину геометрического увеличения оптической системы.
Геометрическое увеличение микроскопа – отношение линейного размера изображения объекта на мониторе к реальному размеру изучаемого объекта.
Получить значение геометрического увеличения можно перемножив следующие величины: оптическое увеличение объектива, оптическое увеличение адаптера камеры, отношение диагонали монитора к диагонали матрицы камеры.
К примеру, при работе на лабораторном микроскопе с объективом 50х, адаптером камеры 0,5х, камерой 1/2.5” и, выводя изображение на монитор ноутбука 14”, мы получим геометрическое увеличение системы = 50х0,5х(14/0,4) = 875х.
Хотя оптическое увеличение при этом будет равно 500х в случае 10х окуляров.

Цифровые микроскопы, конфокальные профилометры, электронные микроскопы и другие системы, формирующие цифровое изображение объекта на экране монитора оперируют понятием геометрического увеличения. Не стоит путать это понятие с оптическим увеличением.

Разрешение микроскопа

Широко распространено заблуждение, что разрешение микроскопа и его увеличение связаны между собой жесткой связью – чем больше увеличение, тем более мелкие объекты мы сможем в него увидеть. Это не верно. Самым важным фактором всегда остается разрешение оптической системы. Ведь увеличение неразрешенного изображения не даст нам о нем новой информации.

Разрешение микроскопа зависит от числового значения апертуры объектива, а также от длины волны источника освещения. Как вы видите, параметра увеличения системы в этой формуле нет.

где λ – усредненная длина волны источника света, NA – числовая апертура объектива, R – разрешение оптической системы.

При использовании объектива с NA 0,95 на лабораторном микроскопе с галогенным источником (средняя длина волны порядка 500 нм) мы получаем разрешение около 300 нм.

Как видно из принципиальной схемы светового микроскопа, окуляры увеличивают действительное изображение объекта. Если, к примеру, повысить кратность увеличения окуляров в 2 раза (вставить в микроскоп окуляры 20х) – то общее увеличение системы удвоится, но разрешение при этом останется прежним.

Важное замечание

Предположим, что у нас есть два варианта построения простого лабораторного микроскопа. Первый построим, используя объектив 40х NA 0,65 и окуляры 10х. Второй же будет использовать объектив 20х NA 0,4 окуляры 20x.

Увеличение микроскопов в обоих вариантах будет одинаковое = 400х (простое перемножение увеличения объектива и окуляров). А вот разрешение в первом варианте будет выше, чем во втором, так как числовая апертура объектива 40х больше. К тому же не стоит забывать о поле зрения окуляров, у 20х этот параметр на 20-25% ниже.

Как известно, основную долю информации об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Глаз человека - сложный и совершенный прибор. Этот созданный природой прибор работает со светом - электромагнитным излучением, диапазон длин волн которого находится между 400 и 760 нанометрами. Цвет, который при этом воспринимает человек, изменяется от фиолетового до красного.

Электромагнитные волны, соответствующие видимому свету, взаимодействуют с электронными оболочками атомов и молекул глаза. Результат этого взаимодействия зависит от того, в каком состоянии находятся электроны этих оболочек. Свет может поглощаться, отражаться или рассеиваться. Что именно произошло со светом, может многое рассказать об атомах и молекулах, с которыми он взаимодействовал. Диапазон размеров атомов и молекул от 0,1 до десятков нанометров. Это во много раз меньше, чем длина волны света. Тем не менее, объекты именно таких размеров - назовем их нанообъектами - очень важно увидеть. Что же надо для этого сделать? Обсудим сначала, что может рассмотреть человеческий глаз.

Обычно, когда говорят о разрешающей способности того или иного оптического прибора, оперируют двумя понятиями. Одно из них - угловое разрешение, а второе - линейное разрешение. Эти понятия взаимосвязаны. К примеру, для человеческого глаза угловое разрешение составляет приблизительно 1 угловую минуту. При этом глаз может различить два точечных объекта, удаленных от него на 25–30 см, только тогда, когда расстояние между этими объектами больше чем 0,075 мм. Это вполне сравнимо с разрешением обычного компьютерного сканера. В самом деле, разрешение 600 точек на дюйм означает, что сканер может различить точки, расположенные на расстоянии 0,042 мм друг от друга.

Для того чтобы можно было различать объекты, расположенные на еще меньших расстояниях друг от друга, был придуман оптический микроскоп - прибор, увеличивающий разрешающую способность глаза. Выглядят эти приборы по-разному (что видно из рисунка 1), но принцип действия у них один тот же. Оптический микроскоп позволил отодвинуть предел разрешения до долей микрона. Уже 100 лет назад оптическая микроскопия сделала возможным изучать объекты микронных размеров. Однако тогда же стало ясно, что простым увеличением количества линз и улучшением их качества добиться дальнейшего увеличения разрешающей способности невозможно. Разрешение оптического микроскопа оказалось ограничено свойствами самого света, а именно его волновой природой.

Еще в конце позапрошлого века было установлено, что разрешение оптического микроскопа составляет . В этой формуле λ - длина волны света, а n sin u - числовая апертура объектива микроскопа, которая характеризует как микроскоп, так и то вещество, которое находится между объектом изучения и самой близкой к нему линзой микроскопа. И действительно, в выражение для числовой апертуры входят показатель преломления n среды, находящейся между объектом и объективом, и угол u между оптической осью объектива и самыми крайними лучами, которые выходят из объекта и могут попасть в этот объектив. Показатель преломления вакуума равен единице. У воздуха этот показатель очень близок к единице, у воды он составляет 1,33303, а у специальных жидкостей, используемых в микроскопии для получения максимального разрешения, n доходит до 1,78. Каким бы ни был угол u , величина sin u не может быть больше единицы. Таким образом, разрешение оптического микроскопа не превышает долей длины волны света.

Обычно считается, что разрешение составляет половину длины волны.

Интенсивность, разрешение и увеличение объекта - разные вещи. Можно сделать так, что расстояние между центрами изображений объектов, которые расположены в 10 нм друг от друга, будет 1 мм. Это будет соответствовать увеличению в 100 000 раз. Тем не менее, различить, один это объект или два, не получится. Дело в том, что изображения объектов, размеры которых очень малы по сравнению с длиной волны света, будут иметь одинаковые форму и размеры, не зависящие от формы самих объектов. Такие объекты называют точечными - их размерами можно пренебречь. Если такой точечный объект светится, то оптический микроскоп изобразит его в виде светлого кружка, окруженного светлыми и темными кольцами. Будем далее, для простоты, рассматривать именно источники света. Типичное изображение точечного источника света, полученное с помощью оптического микроскопа, показано на рисунке 2. Интенсивность светлых колец намного меньше, чем у кружочка, и убывает по мере удаления от центра изображения. Чаще всего видно только первое светлое кольцо. Диаметр первого темного кольца равен . Функция, которая описывает такое распределение интенсивности, называется функцией рассеяния точки. Эта функция не зависит от того, каково увеличение. Изображение нескольких точечных объектов будет представлять собой именно круги и кольца, как это видно из рисунка 3. Полученное изображение можно увеличивать, однако если изображения двух соседних точечных объектов сливаются, то они будут сливаться и дальше. Такое увеличение часто называют бесполезным - большие изображения просто будут более размытыми. Пример бесполезного увеличения показан на рисунке 4. Формула часто называется дифракционным пределом, и она настолько знаменита, что именно ее высекли на памятнике автору этой формулы - немецкому физику-оптику Эрнсту Аббе.

Конечно, со временем оптические микроскопы стали снабжать разнообразными устройствами, позволяющими запоминать изображения. Человеческий глаз дополнили сначала пленочные фото- и кинокамеры, а потом - камеры, в основе которых лежат цифровые устройства, преобразующие попадающий на них свет в электрические сигналы. Самыми распространенными из таких устройств являются ПЗС-матрицы (ПЗС расшифровывается как прибор с зарядовой связью). Количество пикселей в цифровых камерах продолжает расти, однако само по себе это не может улучшить разрешение оптических микроскопов.

Еще двадцать пять лет назад казалось, что дифракционный предел непреодолим и что, для того чтобы изучать объекты, размеры которых во много раз меньше, чем длина волны света, необходимо отказаться от света как такового. Именно таким путем пошли создатели электронных и рентгеновских микроскопов. Несмотря на многочисленные преимущества таких микроскопов, задача использования именно света для рассматривания нанообъектов оставалась. Причин для этого было много: удобство и простота работы с объектами, небольшое время, которое требуется для получения изображения, известные способы окрашивания образцов и многое другое. Наконец, после долгих лет напряженной работы стало возможным рассматривать нанообъекты с помощью оптического микроскопа. Наибольший прогресс в этом направлении достигнут в области люминесцентной микроскопии. Конечно, дифракционный предел никто не отменял, но его удалось обойти. В настоящее время существуют различные оптические микроскопы, позволяющие рассматривать объекты, размеры которых намного меньше длины волны того самого света, который создает изображения этих объектов. Все эти приборы объединяет один общий принцип. Попробуем пояснить, какой именно.

Из того, что уже говорилось о дифракционном пределе разрешения, ясно, что увидеть точечный источник не так уж сложно. Если этот источник обладает достаточной интенсивностью, его изображение будет отчетливо видно. Форма и размер этого изображения, как уже говорилось, будут определяться свойствами оптической системы. При этом, зная свойства оптической системы и будучи уверенными в том, что объект точечный, можно определить, где именно находится объект. Точность определения координат такого объекта достаточно высока. Иллюстрацией этого может служить рисунок 5. Координаты точечного объекта можно определить тем точнее, чем интенсивнее он светится. Еще в 80-х годах прошлого века с помощью оптического микроскопа умели определять положение отдельных светящихся молекул с точностью в 10–20 нанометров. Необходимым условием столь точного определения координат точечного источника является его одиночество. Ближайший к нему другой точечный источник должен находиться настолько далеко, чтобы исследователь точно знал, что обрабатываемое изображение соответствует одному источнику. Понятно, что это расстояние l должно удовлетворять условию . В этом случае анализ изображения может дать очень точные данные о положении самого источника.

Большинство объектов, размеры которых намного меньше разрешающей способности оптического микроскопа, можно представить как набор точечных источников. Источники света в таком наборе находятся друг от друга на расстояниях, намного меньших величины . Если эти источники будут светить одновременно, то сказать что-либо о том, где именно они расположены, будет невозможно. Тем не менее, если суметь заставить эти источники светить по очереди, то положение каждого них можно определить с высокой точностью. Если эта точность превышает расстояние между источниками, то, обладая знанием о положении каждого из них, можно узнать о том, каково их взаимное расположение. А это означает, что получена информация о форме и размерах объекта, который представлен как набор точечных источников. Другими словами, в таком случае можно рассмотреть в оптический микроскоп объект, размеры которого меньше, чем дифракционный предел!

Таким образом, ключевым моментом является получение информации о различных частях нанообъекта независимо друг от друга. Существуют три основные группы методов, позволяющие сделать это.

Первая группа методов целенаправленно заставляет светить ту или иную часть исследуемого объекта. Самый известный из этих методов - сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля. Рассмотрим ее подробнее.

Если внимательно изучить те условия, которые подразумеваются, когда речь идет о дифракционном пределе, обнаружится, что расстояния от объектов до линз значительно больше длины волны света. На расстояниях, сравнимых и меньших этой длины волны, картина получается другой. Вблизи любого объекта, попавшего в электромагнитное поле световой волны, существует переменное электромагнитное поле, частота изменения которого такая же, как частота изменения поля в световой волне. В отличие от световой волны, это поле быстро затухает по мере удаления от нанообъекта. Расстояние, на котором происходит уменьшение интенсивности, например, в e раз, сравнимо с размерами объекта. Таким образом, электромагнитное поле оптической частоты оказывается сконцентрированным в объеме пространства, размер которого намного меньше, чем длина волны света. Любой нанообъект, попавший в эту область, будет так или иначе взаимодействовать со сконцентрированным полем. Если тот объект, с помощью которого осуществляется это концентрирование поля, последовательно перемещать по какой-либо траектории вдоль изучаемого нанообъекта и регистрировать свет, излучаемый этой системой, то можно построить изображение по отдельным точкам, лежащим на этой траектории. Конечно, в каждой точке изображение будет выглядеть так, как показано на рисунке 2, но разрешение при этом будет определяться тем, насколько удалось сконцентрировать поле. А это, в свою очередь, определяется размерами того объекта, с помощью которого это поле концентрируется.

Самым распространенным способом такой концентрации поля является изготовление очень маленького отверстия в металлическом экране. Обычно это отверстие находится на конце заостренного и покрытого тонкой пленкой металла световода (световод часто называется оптическим волокном и широко используется для передачи данных на большие расстояния). Сейчас удается изготавливать отверстия с диаметрами от 30 до 100 нм. Таким же по величине получается и разрешение. Приборы, работающие по этому принципу, и называются сканирующими оптическими микроскопами ближнего поля. Они появились 25 лет тому назад.

Суть второй группы методов сводится к следующему. Вместо того чтобы заставлять соседние нанообъекты светить по очереди, можно использовать объекты, которые светятся разными цветами. В этом случае с помощью светофильтров, пропускающих свет того или иного цвета, можно определять положение каждого из объектов, а потом - составлять единую картину. Это очень похоже на то, что изображено на рисунке 5, только цвета для трех изображений будут различными.

Последняя группа методов, позволяющих преодолеть дифракционный предел и рассмотреть нанообъекты, использует свойства самих светящихся объектов. Существуют такие источники, которые можно «включать» и «выключать» с помощью специально подобранного света. Такие переключения происходят статистически. Иначе говоря, если имеется много переключаемых нанообъектов, то, подобрав длину волны света и его интенсивность, можно заставить «выключиться» только часть из этих объектов. Остальные объекты будут продолжать светить, и можно получить от них изображение. После этого надо «включить» все источники и снова «выключить» часть из них. Набор оставшихся «включенными» источников будет отличаться от набора, который остался «включенным» в первый раз. Повторяя такую процедуру много раз, можно получить большой набор изображений, отличающихся друг от друга. Анализируя такой набор, можно установить местоположение большой доли всех источников с очень высокой точностью, значительно превышающей дифракционный предел. Пример сверхразрешения, полученного таким способом, приведен на рисунке 6.

В настоящее время оптическая микроскопия со сверхразрешением быстро развивается. Можно со всей уверенностью предполагать, что в грядущие годы эта область будет привлекать все большее число исследователей, и хочется верить, что среди них будут и читатели этой статьи.