Introduction aux principaux domaines d'application du microscope optique
Le microscope optique est un outil scientifique ancien et jeune. Son histoire remonte à 300 ans depuis sa naissance. Le microscope optique a un large éventail d'utilisations. Par exemple, en biologie, chimie, physique, astronomie, etc., il est indissociable du microscope dans certains travaux de recherche scientifique.
Selon différents objectifs d'application, les microscopes peuvent être grossièrement classés en quatre catégories : les microscopes biologiques, les microscopes métallographiques, les stéréomicroscopes et les microscopes polarisants. Comme leur nom l'indique, les microscopes biologiques sont principalement utilisés en biomédecine et les objets d'observation sont pour la plupart des micro-corps transparents ou translucides ; les microscopes métallographiques sont principalement utilisés pour observer la surface d'objets opaques, tels que la structure métallographique et les défauts de surface des matériaux ; tandis que les microscopes stéréoscopiques grossissent les micro-objets, ils créent également des objets et des images dans la même direction par rapport à l'œil humain et ont une sensation de profondeur conforme aux habitudes visuelles conventionnelles des gens ; les microscopes polarisants utilisent les caractéristiques de transmission ou de réflexion de différents matériaux pour la lumière polarisée afin de distinguer différents composants de micro-objets. En outre, certains types spéciaux peuvent également être subdivisés. Par exemple, un microscope biologique inversé ou microscope de culture est un microscope biologique principalement utilisé pour observer la culture à travers le fond d'une cuve de culture ; un microscope à fluorescence utilise les caractéristiques de certaines substances pour absorber la lumière avec une longueur d'onde spécifique plus courte et émettre de la lumière avec une longueur d'onde spécifique plus longue pour découvrir l'existence de ces substances et déterminer leur contenu ; un microscope de comparaison peut former des images juxtaposées ou superposées de deux objets dans le même champ de vision pour comparer les similitudes et les différences entre les deux objets.
Les microscopes optiques traditionnels sont principalement composés de systèmes optiques et de leurs structures mécaniques de support. Les systèmes optiques comprennent des lentilles d'objectif, des oculaires et des lentilles condensatrices, qui sont toutes des loupes complexes constituées de divers verres optiques. L'objectif grossit l'échantillon, et son grossissement Mobject est déterminé par la formule suivante : Mobject =Δ∕f'object, où f'object est la distance focale de l'objectif, et Δpeut être compris comme la distance entre l'objectif et l'oculaire. L'oculaire agrandit à nouveau l'image formée par l'objectif, formant une image virtuelle à 250 mm devant l'œil humain pour l'observation. C’est la position d’observation la plus confortable pour la plupart des gens. Le grossissement de l'oculaire M=250/f' œil, où f' est la distance focale de l'oculaire. Le grossissement total du microscope est le produit de l'objectif et de l'oculaire, c'est-à-dire M=M objet*M œil=Δ*250/f' œil *f ; objet. On peut voir que la réduction de la distance focale de l'objectif et de l'oculaire augmentera le grossissement total, ce qui est la clé pour voir les bactéries et autres micro-organismes avec un microscope, et c'est aussi la différence entre celui-ci et les loupes ordinaires.
Alors, est-il envisageable de réduire le maillage f' de l'objet f' sans limite, de manière à augmenter le grossissement, pour que l'on puisse voir des objets plus subtils ? La réponse est non! En effet, la lumière utilisée pour l'imagerie est essentiellement une sorte d'onde électromagnétique, de sorte que des phénomènes de diffraction et d'interférence se produiront inévitablement au cours du processus de propagation, tout comme les ondulations à la surface de l'eau que l'on peut voir dans la vie quotidienne peuvent se produire lorsque l'on rencontre des obstacles. , et deux colonnes de vagues d'eau peuvent se renforcer ou s'affaiblir lorsqu'elles se rencontrent. Lorsque l'onde lumineuse émise par un objet lumineux en forme de point pénètre dans la lentille d'objectif, le cadre de la lentille d'objectif entrave la propagation de la lumière, entraînant une diffraction et des interférences. Après avoir traversé l'objectif, il ne peut plus se rassembler en un point, mais forme une tache lumineuse d'une certaine taille, et il y a une série d'anneaux lumineux d'intensité faible et s'affaiblissant progressivement à la périphérie. Nous appelons le point lumineux central un disque d’Airy. Lorsque deux points émetteurs de lumière sont proches d'une certaine distance, les deux points lumineux se chevauchent jusqu'à ce qu'ils ne puissent plus être reconnus comme deux points lumineux. Rayleigh a proposé une norme de jugement, pensant que lorsque la distance entre les centres des deux points lumineux est égale au rayon du disque d'Airy, les deux points lumineux peuvent être distingués. Après calcul, la distance entre les deux points émetteurs de lumière à ce moment est e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA Dans la formule, In est la longueur d'onde de l'onde lumineuse, et la longueur d'onde de l'onde lumineuse qui peut être reçue par l'œil humain est d'environ 0.4-0,7 um, et n est l'indice de réfraction du milieu où se trouve le point émetteur de lumière. Par exemple, dans l'air, n≈1 , dans l'eau, n≈1,33, et A est la moitié de l'angle d'ouverture du point luminescent par rapport au cadre de l'objectif, et NA est appelé l'ouverture numérique de l'objectif. Il ressort de la formule ci-dessus que la distance entre deux points que l'objectif peut distinguer est limitée par la longueur d'onde de la lumière et l'ouverture numérique. Étant donné que la longueur d'onde de l'œil humain le plus sensible est d'environ 0,5 um et que l'angle A ne peut pas dépasser 90 degrés, sinA est toujours inférieur à 1. L'indice de réfraction maximum de la transmission lumineuse disponible Le milieu est d'environ 1,5, donc la valeur de e est toujours supérieure à 0,2um, qui est la distance limite minimale qui peut être résolue par un microscope optique. Agrandissez l'image au microscope. Si vous souhaitez agrandir la distance du point objet e qui peut être résolue par l'objectif avec une certaine valeur NA suffisamment pour être résolue par l'œil humain, vous avez besoin de Me supérieur ou égal à 0,15 mm, où { {29}},15 mm est la distance minimale entre deux micro-objets pouvant être distingués par l'œil humain à 250mm devant vos yeux, donc M Supérieur ou égal à (0,15∕0,61)NA ≈500N.A. Il suffit de doubler le grossissement, soit 500N.A Inférieur ou égal à M Inférieur ou égal à 1000N.A, ce qui est une plage de sélection raisonnable du grossissement total du microscope. Quelle que soit la taille du grossissement total, cela n'a aucun sens, car l'ouverture numérique de l'objectif a limité la distance minimale résoluble et il est impossible de distinguer les détails d'un objet plus petit en augmentant le grossissement.
Le contraste de l’imagerie est un autre problème clé dans les microscopes optiques. Le soi-disant contraste fait référence au contraste en noir et blanc ou à la différence de couleur entre les parties adjacentes de la surface de l'image. Il est difficile pour l'œil humain de juger la différence de luminosité inférieure à 0.02, mais il est légèrement plus sensible à la différence de couleur. Certains objets du microscope, tels que les échantillons biologiques, présentent très peu de différence de luminosité entre les détails, et les erreurs de conception et de fabrication du système optique du microscope réduisent encore le contraste de l'imagerie et rendent sa distinction difficile. À l’heure actuelle, les détails de l’objet ne peuvent pas être vus clairement.
Au fil des années, les gens ont travaillé dur pour améliorer la résolution et le contraste de l’imagerie du microscope. Avec les progrès continus de la technologie et des outils informatiques, la théorie et les méthodes de conception optique ont également été continuellement améliorées. Couplée à l'amélioration des performances des matières premières, à l'amélioration continue de la technologie et des méthodes de détection, ainsi qu'à l'innovation des méthodes d'observation, la qualité d'imagerie du microscope optique s'est approchée de la perfection de la limite de diffraction. Les gens utiliseront la coloration des échantillons, le champ sombre, le contraste de phase, la fluorescence, les interférences et la lumière polarisée. Les instruments d'imagerie sont apparus les uns après les autres et ont des performances supérieures à certains égards, mais ils ne peuvent toujours pas rivaliser avec les microscopes optiques en termes de prix, de commodité, d'intuition et particulièrement adaptés à la recherche sur les organismes vivants. Les microscopes optiques occupent toujours fermement leurs propres positions. D'un autre côté, combiné au laser, à l'ordinateur, aux nouvelles technologies matérielles et aux technologies de l'information, l'ancien microscope optique rajeunit et fait preuve d'une vitalité vigoureuse. Les microscopes numériques, les microscopes confocaux à balayage laser, les microscopes à balayage en champ proche, les microscopes à deux photons et les instruments dotés de diverses nouvelles fonctions ou capables de s'adapter à diverses nouvelles conditions environnementales émergent dans un flux sans fin, ce qui élargit encore le champ d'application des microscopes optiques, comme exemples. Comme les images microscopiques de formations rocheuses téléchargées par les rovers martiens sont passionnantes ! Nous pouvons pleinement croire que le microscope optique apportera à l’humanité une attitude actualisée.
