การประยุกต์ใช้แนวคิดกล้องจุลทรรศน์สมัยใหม่ในการสังเกตการณ์โลกด้วยกล้องจุลทรรศน์

การประยุกต์ใช้แนวคิดกล้องจุลทรรศน์สมัยใหม่ในการสังเกตการณ์โลกด้วยกล้องจุลทรรศน์

ตั้งแต่สมัยโบราณจนถึงปัจจุบัน มนุษย์ได้แสวงหาความจริงที่สูงขึ้นและไกลออกไป ตั้งแต่การเดินทางในมหาสมุทรไปจนถึงการสำรวจอวกาศ ผู้คนต่างก็พิชิตเป้าหมายที่ยิ่งใหญ่ทีละเป้าหมาย อย่างไรก็ตาม โลกขนาดมหึมาที่ผู้คนมองเห็นด้วยตาเปล่านั้นไม่ใช่โลกทั้งใบ และสายตามนุษย์ก็ไม่สามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจน นอกจากนี้ยังดึงดูดผู้คนนับไม่ถ้วนให้สำรวจและติดตาม

โดยไม่คำนึงถึงสิ่งที่มองด้วยตาเปล่าหรือมองด้วยตาเปล่า การสังเกตของเราขึ้นอยู่กับคุณลักษณะของปริภูมิสามมิติ นั่นคือ XYZ สามมิติ และการสังเกตการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของสิ่งต่าง ๆ จำเป็นต้องแนะนำปัจจัยการวัดอื่น - เวลา T ดังนั้น วิธีที่สมบูรณ์แบบที่สุดในการสังเกตสิ่งต่าง ๆ จะต้องเป็นการบันทึกพร้อมกันของ XYZT นั่นคือการถ่ายภาพระยะยาวของรูปร่างและเวลา ยังเป็นฟังก์ชั่นสูงสุดของกล้องจุลทรรศน์

หลังจากการพัฒนามากว่า 300 ปี กล้องจุลทรรศน์สมัยใหม่ได้เสนอแนวคิดต่างๆ เช่น ความละเอียด ความชัดลึก และขอบเขตการมองเห็น และได้เสนอวิธีแก้ปัญหาอย่างต่อเนื่อง เริ่มแรก กล้องจุลทรรศน์ตอบสนองความต้องการของเราในการสังเกตโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์ และช่วยให้เราบันทึกพื้นที่และเวลาของโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์

สิ่งที่สำคัญที่สุดในการสังเกตโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์คือความละเอียดของรายละเอียด และแนวคิดของความละเอียดก็เกิดจากสิ่งนี้ ความละเอียดหมายถึงระยะห่างขั้นต่ำระหว่างจุดสองจุดที่สามารถแยกแยะได้ด้วยสายตามนุษย์ และใช้ได้เฉพาะในมิติ XY เท่านั้น ตามเกณฑ์ของเรย์ลี Rayleigh Criterion ขีดจำกัดที่คนปกติสามารถแยกแยะได้คือจุดสองจุดที่ 0.2 มม. ที่ระยะห่าง 25 ซม. เมื่อเราใช้กล้องจุลทรรศน์ เราจะเห็นจุด 2 จุดในระยะห่างที่น้อยลง ซึ่งช่วยปรับปรุงความละเอียดในการสังเกตของเรา ด้วยการวิจัยสมัยใหม่ที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความต้องการของผู้คนสำหรับความละเอียดก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และนักวิทยาศาสตร์ก็ปรับปรุงความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อย่างต่อเนื่องเช่นกัน ตัวอย่างเช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนได้เพิ่มความละเอียดถึงระดับนาโนเมตร ทำให้สามารถสังเกตไวรัสได้ เทคโนโลยีการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงพิเศษช่วยปรับปรุงความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์จาก 200 นาโนเมตรเป็นสิบนาโนเมตร ทำให้สามารถสังเกตเซลล์ออร์แกเนลล์ที่มีชีวิตได้

การปรับปรุงความละเอียดยังนำมาซึ่งปัญหาใหม่ นั่นคือ การลดลงของขอบเขตการมองเห็นและความชัดลึก เมื่อใช้วิธีการส่องสว่างจากส่วนกลางแบบปกติ (วิธีการส่องสว่างแบบโฟโตปิกที่ทำให้แสงส่องผ่านชิ้นงานอย่างเท่าเทียมกัน) ระยะความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์คือ d=0.61 λ/NA ช่วงความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นคือ { {2}}นาโนเมตร ความยาวคลื่นเฉลี่ยคือ 550 นาโนเมตร และความยาวคลื่นเป็นค่าคงที่คงที่ ดังนั้นการเพิ่มค่า NA ทำให้ได้ค่า D ที่น้อยลง นั่นคือระยะห่างระหว่างจุด 2 จุดที่สามารถแยกแยะได้ ขนาดเล็กลง ทำให้คนเห็นวัตถุที่มีขนาดเล็กลงได้อย่างชัดเจน

ค่า NA คือตัวเลขรูรับแสง ซึ่งอธิบายขนาดของมุมกรวยรับแสงของเลนส์ NA=n * sin นั่นคือผลคูณของดัชนีการหักเหของแสง (n) ของตัวกลางระหว่างเลนส์และ วัตถุที่จะตรวจสอบและค่าไซน์ของครึ่งหนึ่งของมุมรูรับแสง (2 ) n คือดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางระหว่างเลนส์ใกล้วัตถุกับตัวอย่าง เมื่อตัวกลางในอวกาศของวัตถุกล้องจุลทรรศน์เป็นอากาศ ดัชนีการหักเหของแสง n=1 การใช้ตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าอากาศสามารถเพิ่มค่า NA ได้อย่างมาก สื่อการแช่น้ำคือน้ำกลั่นและดัชนีการหักเหของแสง อัตราส่วนคือ 1.33; สื่อวัตถุประสงค์ในการแช่น้ำมันคือน้ำมันซีดาร์หรือน้ำมันโปร่งใสอื่นๆ และดัชนีการหักเหของแสงโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 1.52 ซึ่งใกล้เคียงกับดัชนีการหักเหของแสงของเลนส์และกระจกสไลด์ ดังนั้นค่า NA ของเลนส์น้ำมันจึงสูงกว่าเลนส์อากาศ

มุมรูรับแสง หรือที่เรียกว่า "มุมปากกระจก" คือมุมที่เกิดจากจุดของวัตถุบนแกนออพติคอลของเลนส์และเส้นผ่านศูนย์กลางใช้งานจริงของเลนส์ด้านหน้าของเลนส์ใกล้วัตถุ การเพิ่มมุมปากกระจกสามารถเพิ่มค่าไซน์ได้ และขีดจำกัดบนจริงคือประมาณ 72 องศา (ค่าไซน์คือ 0.95) คูณด้วยดัชนีการหักเหของแสงของน้ำมันซีดาร์ 1.52 จะได้ว่า ค่า NA สูงสุดคือประมาณ 1.45 และเมื่อแทนค่าในสูตรการคำนวณความละเอียด จะได้ว่าขีดจำกัดความละเอียดระนาบ XY ของกล้องจุลทรรศน์ทั่วไปคือประมาณ 0.2um

ค่า NA ยังส่งผลโดยตรงต่อความสว่างของขอบเขตการมองเห็นของกล้องจุลทรรศน์ (B) จากสูตร B∝NA2/M2 เราสามารถอนุมานได้ว่าความสว่างเพิ่มขึ้นเมื่อรูรับแสงตัวเลข (NA) เพิ่มขึ้นหรือกำลังขยายของเลนส์ใกล้วัตถุลดลง (M)

ในทางทฤษฎี เราควรไล่ตามค่า NA สูงสุดที่เป็นไปได้เพื่อให้ได้ความละเอียดของระนาบ XY และความสว่างของขอบเขตการมองเห็นที่ดีขึ้น อย่างไรก็ตาม ทุกอย่างมีสองด้านเสมอ การปรับปรุงความละเอียดของระนาบ XY จะลดระยะชัดลึกของแกน Z และขอบเขตการมองเห็น

กล้องจุลทรรศน์โดยทั่วไปจะมองภาพในแนวดิ่งลง เมื่อตำแหน่งนูนและตำแหน่งเว้าบนพื้นผิวของวัตถุที่สังเกตได้ภายในเส้นผ่านศูนย์กลางของขอบเขตการมองเห็นสามารถมองเห็นได้ชัดเจน ดังนั้นความแตกต่างของความสูงระหว่างจุดนูนและจุดเว้าคือระยะชัดลึก สำหรับกล้องจุลทรรศน์ ยิ่งระยะชัดลึกมากเท่าไหร่ก็ยิ่งดีเท่านั้น ยิ่งระยะชัดลึกมากเท่าใด ภาพสามมิติก็จะยิ่งดีขึ้นและมีความคมชัดมากขึ้นเมื่อสังเกตพื้นผิวของวัตถุที่ไม่เรียบ ความชัดลึกที่กว้างช่วยให้เราสังเกตโลกระดับจุลภาคในแนวตั้ง นั่นคือข้อมูลแกน Z ในรูปแบบสามมิติ XYZ

ความชัดลึกคือความลึกของพื้นที่ด้านหน้าและด้านหลังที่สอดคล้องกับภาพที่ชัดเจนบนระนาบภาพ: dtot=(λ*n)/NA บวก n/(M∗NA) * e, dtot: ความชัดลึก , NA: ตัวเลขรูรับแสง, M: กำลังขยายทั้งหมด, λ: ความยาวคลื่นของแสง, (ปกติคือ λ=0.55um), n: ดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางระหว่างตัวอย่างและเลนส์ใกล้วัตถุ (อากาศ: n{{3 }}, น้ำมัน: n=1.52) ตามสูตรนี้ เราสามารถทราบได้ว่าระยะชัดลึกแกน Z แปรผกผันกับค่า NA ของระนาบ XY

นอกจากระยะชัดลึกแล้ว ค่า NA ยังส่งผลต่อขอบเขตการมองเห็นอีกด้วย ช่วงเชิงพื้นที่ที่สามารถมองเห็นได้เมื่ออุปกรณ์มองที่จุดใดจุดหนึ่งอย่างแน่วแน่คือขอบเขตการมองเห็น การคำนวณเกี่ยวข้องโดยตรงกับกำลังขยายของเลนส์ใกล้วัตถุ เส้นผ่านศูนย์กลางจริงของขอบเขตการมองเห็นที่เห็นได้จากการสังเกตจะเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของขอบเขตการมองเห็นหารด้วยกำลังขยายของเลนส์ใกล้วัตถุ เลนส์ใกล้ตาจะระบุขอบเขตการมองเห็นที่สอดคล้องกัน เช่น 10/18 นั่นคือ กำลังขยาย 10 เท่า และเส้นผ่านศูนย์กลางของขอบเขตการมองเห็นคือ 18 มม. ดังนั้น เมื่อกำหนดเลนส์ใกล้ตา ยิ่งกำลังขยายมากเท่าใด ขอบเขตการมองเห็นที่สังเกตได้ก็จะยิ่งเล็กลงเท่านั้น

ความละเอียดของระนาบ XY คือการวิเคราะห์รายละเอียดในพื้นที่ และขอบเขตการมองเห็นจะเป็นตัวกำหนดช่วงการสังเกตตัวอย่างของเรา ยิ่งขอบเขตการมองเห็นกว้างเท่าไรก็ยิ่งดี แต่ถูกจำกัดโดยเทคโนโลยีปัจจุบัน เราต้องใช้เลนส์ใกล้วัตถุกำลังสูงเพื่อให้ได้ค่า NA ที่ดี ดังนั้น ขอบเขตการมองเห็นและค่า NA จึงมีความสัมพันธ์เชิงลบโดยอ้อม