Application du concept de microscope moderne à l'observation du monde microscopique
Depuis les temps anciens jusqu'à nos jours, les êtres humains ont poursuivi des vérités plus élevées et plus lointaines. Des voyages océaniques à l'exploration spatiale, les gens ont conquis de grands objectifs les uns après les autres. Cependant, le monde macroscopique que les gens voient à l'œil nu n'est pas le monde entier et l'œil humain ne peut pas le voir clairement. Il attire également d'innombrables personnes à explorer et à poursuivre.
Indépendamment des choses macroscopiques ou microscopiques, nos observations sont basées sur les attributs de l'espace tridimensionnel, c'est-à-dire XYZ tridimensionnel, et l'observation des changements dans la forme des choses doit introduire un autre facteur de mesure - le temps T, donc le La façon la plus complète d'observer les choses doit être L'enregistrement simultané de XYZT, c'est-à-dire la photographie à long terme de la forme plus le temps, est également la fonction ultime du microscope.
Après plus de 300 ans de développement, les microscopes modernes ont proposé des concepts tels que la résolution, la profondeur de champ et le champ de vision, et ont continuellement proposé des solutions. Les microscopes ont d'abord répondu à nos besoins d'observation du monde microscopique et nous ont aidés à enregistrer l'espace et le temps du monde microscopique.
La chose la plus importante dans l'observation microscopique du monde est la résolution des détails, et le concept de résolution est né de cela. La résolution fait référence à la distance minimale entre deux points pouvant être distingués par l'œil humain et n'est valable que dans la dimension XY. Selon le critère de Rayleigh, Rayleigh Criterion, la limite que les gens normaux peuvent distinguer est de deux points de 0.2mm à une distance de 25cm. Lorsque nous utilisons un microscope, nous pouvons voir deux points à une distance plus petite, ce qui améliore la résolution de notre observation. Avec l'approfondissement continu de la recherche moderne, les exigences de résolution des gens augmentent également constamment et les scientifiques améliorent également constamment la résolution des microscopes. Par exemple, les microscopes électroniques ont augmenté la résolution au niveau du nanomètre, permettant l'observation de virus. La technologie d'imagerie microscopique ultra-élevée améliore la résolution du microscope de 200 nanomètres à des dizaines de nanomètres, réalisant l'observation d'organites de cellules vivantes.
L'amélioration de la résolution pose également de nouveaux problèmes, à savoir la réduction du champ de vision et de la profondeur de champ. Lors de l'utilisation de la méthode d'éclairage central ordinaire (la méthode d'éclairage photopique qui fait passer la lumière uniformément à travers l'échantillon), la distance de résolution du microscope est d=0.61 λ/NA, la gamme de longueurs d'onde de la lumière visible est { {2}}nm, la longueur d'onde moyenne est de 550 nm et la longueur d'onde est une constante fixe. Par conséquent, l'augmentation de la valeur NA peut obtenir une valeur D plus petite, c'est-à-dire la distance entre deux points qui peuvent être distingués plus petits, permettant aux gens de voir clairement des objets plus petits.
La valeur NA est l'ouverture numérique, qui décrit la taille de l'angle du cône de réception de la lumière de l'objectif, NA=n * sin , c'est-à-dire le produit de l'indice de réfraction (n) du milieu entre l'objectif et l'objet à inspecter et le sinus de la moitié de l'angle d'ouverture (2 ). n est l'indice de réfraction de la lumière du milieu entre l'objectif et l'échantillon. Lorsque le milieu spatial objet du microscope est l'air, l'indice de réfraction n=1. L'utilisation d'un milieu avec un indice de réfraction plus élevé que l'air peut augmenter considérablement la valeur NA. Le milieu d'immersion dans l'eau est de l'eau distillée et l'indice de réfraction Le rapport est de 1,33 ; le milieu d'objectif à immersion dans l'huile est de l'huile de cèdre ou d'autres huiles transparentes, et son indice de réfraction est généralement d'environ 1,52, ce qui est proche de l'indice de réfraction de la lentille et de la lame de verre. Par conséquent, la valeur NA de la lentille à huile est supérieure à celle de la lentille à air.
L'angle d'ouverture, également appelé "angle de la bouche du miroir", est l'angle formé par le point objet sur l'axe optique de l'objectif et le diamètre effectif de la lentille frontale de l'objectif. L'augmentation de l'angle de la bouche du miroir peut augmenter la valeur sinusoïdale, et sa limite supérieure réelle est d'environ 72 degrés (la valeur sinusoïdale est 0.95), multipliée par l'indice de réfraction de l'huile de cèdre 1,52, on peut obtenir que le la valeur NA maximale est d'environ 1,45, et substituée dans la formule de calcul de la résolution, on peut obtenir que la résolution du plan XY limite d'un microscope conventionnel est d'environ 0.2um.
La valeur NA affecte également directement la luminosité du champ de vision du microscope (B). De la formule B∝NA2/M2 nous pouvons déduire que la luminosité augmente avec l'augmentation de l'ouverture numérique (NA) ou la diminution du grossissement de l'objectif (M).
Théoriquement, nous devrions rechercher la valeur NA la plus élevée possible pour obtenir une meilleure résolution du plan XY et une meilleure luminosité du champ de vision. Cependant, tout a deux faces. L'amélioration de la résolution du plan XY réduira la profondeur de champ de l'axe Z et le champ de vision d'observation.
Les microscopes voient généralement la vue verticalement vers le bas. Lorsque la position convexe et la position concave sur la surface de l'objet observé dans le diamètre du champ de vision peuvent être clairement vues, alors la différence de hauteur entre le point convexe et le point concave est la profondeur de champ. Eh bien, pour les microscopes, plus la profondeur de champ est grande, mieux c'est. Plus la profondeur de champ est grande, meilleures et plus claires les images en trois dimensions peuvent être obtenues lors de l'observation de la surface d'objets irréguliers. La grande profondeur de champ nous aide à observer le monde microscopique dans le sens vertical. C'est-à-dire les informations sur l'axe Z sous la forme tridimensionnelle XYZ.
La profondeur de champ est la profondeur de l'espace avant et arrière correspondant à l'image claire sur le plan de l'image : dtot=(λ*n)/NA plus n/(M∗NA) * e, dtot : profondeur de champ , NA : ouverture numérique, M : grossissement total, λ : longueur d'onde de la lumière, (généralement λ=0.55um), n : indice de réfraction du milieu entre l'échantillon et l'objectif (air : n{{3 }}, huile : n=1.52) Selon cette formule, nous pouvons savoir que la profondeur de champ de l'axe Z est inversement proportionnelle à la valeur NA du plan XY.
En plus de la profondeur de champ, le champ de vision est également affecté par la valeur NA. La plage spatiale qui peut être vue lorsque l'instrument regarde fixement un point est le champ de vision. Son calcul est directement lié au grossissement de l'objectif. Le diamètre réel du champ de vision vu par observation est égal au diamètre du champ de vision Divisé par le grossissement de l'objectif, l'oculaire indiquera le champ de vision correspondant, tel que 10/18, c'est-à-dire le le grossissement est de 10 fois et le diamètre du champ de vision est de 18 mm. Par conséquent, lorsque l'oculaire est déterminé, plus le grossissement est important, plus le champ de vision observé est petit.
La résolution du plan XY est l'analyse des détails locaux, et le champ de vision détermine notre plage d'observation de l'échantillon. Plus le champ de vision est grand, mieux c'est, mais limité par la technologie actuelle, nous devons utiliser des lentilles d'objectif à haute puissance pour obtenir de bonnes valeurs NA, par conséquent, le champ visuel et les valeurs NA ont une corrélation négative indirecte.
