วิธีการกำหนดและคำนวณประสิทธิภาพของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง

วิธีการกำหนดและคำนวณประสิทธิภาพของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง

1. รูรับแสงตัวเลข

ตัวเลขรูรับแสงเรียกโดยย่อว่า NA รูรับแสงที่เป็นตัวเลขเป็นพารามิเตอร์ทางเทคนิคหลักของเลนส์ใกล้วัตถุและเลนส์คอนเดนเซอร์ และเป็นสัญลักษณ์สำคัญในการตัดสินประสิทธิภาพของทั้งสองอย่าง (โดยเฉพาะสำหรับเลนส์ใกล้วัตถุ) ขนาดของค่าตัวเลขจะถูกทำเครื่องหมายไว้บนปลอกของเลนส์ใกล้วัตถุและเลนส์คอนเดนเซอร์ตามลำดับ

รูรับแสงเชิงตัวเลข (NA) เป็นผลคูณของดัชนีการหักเหของแสง (n) ของตัวกลางระหว่างเลนส์ด้านหน้าของเลนส์ใกล้วัตถุกับวัตถุที่จะตรวจสอบ และค่าไซน์ของครึ่งหนึ่งของมุมรูรับแสง (u) สูตรมีดังนี้: NA=nsinu/2

มุมรูรับแสง หรือที่เรียกว่า "มุมปากกระจก" คือมุมที่เกิดจากจุดของวัตถุบนแกนออพติคอลของเลนส์ใกล้วัตถุและเส้นผ่านศูนย์กลางใช้งานจริงของเลนส์ด้านหน้าของเลนส์ใกล้วัตถุ ยิ่งมีมุมรับแสงมากเท่าใด ฟลักซ์แสงที่เข้าสู่เลนส์ใกล้วัตถุก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งจะแปรผันตามเส้นผ่านศูนย์กลางใช้งานจริงของเลนส์ใกล้วัตถุและแปรผกผันกับระยะห่างของจุดโฟกัส

เมื่อสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ หากต้องการเพิ่มค่า NA จะไม่สามารถเพิ่มมุมรูรับแสงได้ วิธีเดียวคือเพิ่มค่าดัชนีหักเห n ของตัวกลาง ด้วยหลักการนี้ จึงผลิตเลนส์ใกล้วัตถุสำหรับแช่น้ำและเลนส์ใกล้วัตถุสำหรับแช่น้ำมัน เนื่องจากค่าดัชนีการหักเหของแสง n ของตัวกลางมีค่ามากกว่า 1 ค่า NA จึงมีค่ามากกว่า 1 ได้

ตัวเลขรูรับแสงสูงสุดคือ 1.4 ซึ่งถึงขีดจำกัดทั้งทางทฤษฎีและทางเทคนิคแล้ว ปัจจุบันมีการใช้โบรโมแนฟทาลีนที่มีค่าดัชนีการหักเหของแสงสูงเป็นสื่อกลาง ค่าดัชนีการหักเหของแสงโบรโมแนฟทาลีนอยู่ที่ 1.66 ดังนั้นค่า NA จึงมีค่ามากกว่า 1.4 ได้

ในที่นี้ต้องเน้นย้ำว่าเพื่อให้แสดงบทบาทของรูรับแสงที่เป็นตัวเลขของเลนส์ใกล้วัตถุได้อย่างเต็มที่ ค่า NA ของเลนส์คอนเดนเซอร์ควรเท่ากับหรือมากกว่าค่าของเลนส์ใกล้วัตถุเล็กน้อยระหว่างการสังเกต

รูรับแสงที่เป็นตัวเลขนั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพารามิเตอร์ทางเทคนิคอื่นๆ และเกือบจะเป็นตัวกำหนดและมีอิทธิพลต่อพารามิเตอร์ทางเทคนิคอื่นๆ เป็นสัดส่วนกับความละเอียด สัดส่วนกับการขยาย และแปรผกผันกับความลึกของโฟกัส เมื่อค่า NA เพิ่มขึ้น ความกว้างของขอบเขตการมองเห็นและระยะการทำงานจะลดลงตามไปด้วย

2. ความละเอียด

ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์หมายถึงระยะห่างขั้นต่ำระหว่างจุดวัตถุสองจุดที่สามารถแยกความแตกต่างได้อย่างชัดเจนด้วยกล้องจุลทรรศน์ หรือที่เรียกว่า "อัตราการเลือกปฏิบัติ" สูตรการคำนวณคือ σ=λ/NA

โดยที่ σ คือระยะความละเอียดขั้นต่ำ λ คือความยาวคลื่นของแสง NA คือตัวเลขรูรับแสงของเลนส์ใกล้วัตถุ ความละเอียดของเลนส์ใกล้วัตถุที่มองเห็นได้ถูกกำหนดโดยปัจจัยสองประการ ได้แก่ ค่า NA ของเลนส์ใกล้วัตถุและความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสง ยิ่งค่า NA มากเท่าใด ความยาวคลื่นของแสงส่องสว่างก็จะยิ่งสั้นลง และค่า σ ยิ่งน้อยลง ความละเอียดก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

หากต้องการเพิ่มความละเอียด เช่น ลดค่าของ σ คุณสามารถใช้มาตรการต่อไปนี้:

1. ลดค่าความยาวคลื่น λ และใช้แหล่งกำเนิดแสงที่มีความยาวคลื่นสั้น

2. เพิ่มค่า n สื่อเพื่อเพิ่มค่า NA (NA=nsinu/2)

3. เพิ่มค่า u มุมรับแสงเพื่อเพิ่มค่า NA

4. เพิ่มความคมชัดระหว่างแสงและความมืด

3. การขยายและการขยายที่มีประสิทธิภาพ

เนื่องจากกำลังขยายสองเท่าของเลนส์ใกล้วัตถุและเลนส์ใกล้ตา กำลังขยายทั้งหมด Γ ของกล้องจุลทรรศน์ควรเป็นผลคูณของกำลังขยายของเลนส์ใกล้วัตถุและกำลังขยายของเลนส์ใกล้ตา Γ1:

Γ= Γ1

เห็นได้ชัดว่า เมื่อเทียบกับแว่นขยายแล้ว กล้องจุลทรรศน์สามารถมีกำลังขยายที่สูงกว่ามาก และสามารถเปลี่ยนกำลังขยายของกล้องจุลทรรศน์ได้อย่างง่ายดายโดยการเปลี่ยนเลนส์ใกล้วัตถุและเลนส์ใกล้ตาด้วยกำลังขยายที่แตกต่างกัน

กำลังขยายยังเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญของกล้องจุลทรรศน์ แต่เราไม่สามารถเชื่อได้อย่างสุ่มสี่สุ่มห้าว่ายิ่งมีกำลังขยายสูงเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น ขีดจำกัดของกำลังขยายของกล้องจุลทรรศน์คือกำลังขยายที่มีประสิทธิภาพ

ความละเอียดและการขยายเป็นสองแนวคิดที่แตกต่างกันแต่เกี่ยวข้องกัน สูตรเชิงสัมพันธ์: 500NA<><>

เมื่อรูรับแสงตัวเลขของเลนส์ใกล้วัตถุที่เลือกไม่ใหญ่พอ นั่นคือ ความละเอียดไม่สูงพอ กล้องจุลทรรศน์จะไม่สามารถแยกความแตกต่างของโครงสร้างที่ละเอียดของวัตถุได้ ในขณะนี้ แม้ว่ากำลังขยายจะเพิ่มขึ้นมากเกินไป ภาพที่ได้จะเป็นภาพที่มีโครงร่างขนาดใหญ่แต่รายละเอียดไม่ชัดเจนเท่านั้น เรียกว่ากำลังขยายที่ไม่ถูกต้อง ในทางกลับกัน หากความละเอียดตรงตามความต้องการแต่กำลังขยายไม่เพียงพอ กล้องจุลทรรศน์ก็มีความสามารถที่จะแก้ไขได้ แต่ภาพก็ยังเล็กเกินไปที่ตามนุษย์จะมองเห็นได้ชัดเจน ดังนั้น เพื่อให้ใช้กำลังการแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์ได้อย่างเต็มที่ ตัวเลขรูรับแสงควรตรงกับกำลังขยายทั้งหมดของกล้องจุลทรรศน์อย่างสมเหตุสมผล

4. ระยะชัดลึก

ระยะชัดลึกเป็นตัวย่อของระยะชัดลึก กล่าวคือ เมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์ เมื่อโฟกัสที่วัตถุบางอย่าง ไม่เพียงแต่จะมองเห็นทุกจุดบนระนาบของจุดนี้ได้ชัดเจน แต่ยังอยู่ภายในความหนาบางด้านบนด้วย และด้านล่างของระนาบ เพื่อให้ชัดเจน ความหนาของส่วนที่ใสนี้คือระยะชัดลึก หากระยะชัดลึกมาก คุณจะมองเห็นวัตถุทั้งชั้นที่ตรวจสอบได้ ในขณะที่ความลึกโฟกัสน้อย คุณจะมองเห็นวัตถุเพียงชั้นบางๆ ที่ตรวจสอบเท่านั้น ความชัดลึกของโฟกัสมีความสัมพันธ์กับพารามิเตอร์ทางเทคนิคอื่นๆ ดังต่อไปนี้:

1. ความลึกของโฟกัสจะแปรผกผันกับกำลังขยายทั้งหมดและรูรับแสงที่เป็นตัวเลขของเลนส์ใกล้วัตถุ

2. ระยะชัดลึกมาก และความละเอียดลดลง

เนื่องจากระยะชัดลึกที่มากของเลนส์ใกล้วัตถุที่มีกำลังขยายต่ำ จึงเป็นเรื่องยากที่จะถ่ายภาพด้วยเลนส์ใกล้วัตถุที่มีกำลังขยายต่ำ ซึ่งจะอธิบายในรายละเอียดเพิ่มเติมในโฟโตไมโครกราฟ

5. เส้นผ่านศูนย์กลางมุมมอง (FieldOfView)

เมื่อสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ พื้นที่วงกลมสว่างที่มองเห็นเรียกว่าขอบเขตการมองเห็น และขนาดของมันจะกำหนดโดยไดอะแฟรมของช่องมองภาพที่ช่องมองภาพ

เส้นผ่านศูนย์กลางของขอบเขตการมองเห็นเรียกอีกอย่างว่าความกว้างของขอบเขตการมองเห็น ซึ่งหมายถึงช่วงจริงของวัตถุที่ตรวจสอบที่สามารถอยู่ในขอบเขตการมองเห็นวงกลมที่มองเห็นภายใต้กล้องจุลทรรศน์ ยิ่งขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของมุมมองภาพใหญ่ขึ้นเท่าใด ก็ยิ่งสังเกตได้ง่ายขึ้นเท่านั้น

มีสูตรดังนี้

ฟ=FN/

ในสูตร F - เส้นผ่านศูนย์กลางของมุมมอง

FN - หมายเลขฟิลด์ (FieldNumber ย่อเป็น FN ทำเครื่องหมายที่ด้านนอกของกระบอกเลนส์ตา)

- กำลังขยายของเลนส์ใกล้วัตถุ

ดูได้จากสูตร:

1. เส้นผ่านศูนย์กลางของขอบเขตการมองเห็นเป็นสัดส่วนกับจำนวนขอบเขตการมองเห็น

2. การเพิ่มเลนส์ใกล้วัตถุหลายตัวจะลดเส้นผ่านศูนย์กลางของขอบเขตการมองเห็น ดังนั้น หากคุณสามารถเห็นภาพรวมทั้งหมดของวัตถุที่ตรวจสอบภายใต้เลนส์กำลังต่ำ และเปลี่ยนเป็นเลนส์ใกล้วัตถุกำลังสูง คุณจะมองเห็นวัตถุที่ตรวจสอบเพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้น

6. ความคุ้มครองไม่ดี

ระบบออปติกของกล้องจุลทรรศน์ยังรวมถึงใบปิดด้วย เนื่องจากความหนาของกระจกครอบที่ไม่ได้มาตรฐาน เส้นทางแสงของแสงหลังจากเข้าสู่อากาศจากกระจกครอบจะเปลี่ยนไป ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของเฟส ซึ่งครอบคลุมไม่ดี การสร้างความครอบคลุมที่ไม่ดีส่งผลต่อคุณภาพเสียงของกล้องจุลทรรศน์

ตามข้อบังคับระหว่างประเทศ ความหนามาตรฐานของกระจกครอบคือ {{0}}.17 มม. และระยะที่อนุญาตคือ 0.16-0.18 มม. ความแตกต่างของช่วงความหนานี้ได้รับการคำนวณในการผลิตเลนส์ใกล้วัตถุ เครื่องหมาย 0.17 บนตัวเรือนเลนส์ใกล้วัตถุแสดงถึงความหนาของกระจกครอบที่เลนส์ใกล้วัตถุต้องการ

7. ระยะการทำงาน WD

ระยะการทำงานเรียกอีกอย่างว่าระยะวัตถุ ซึ่งหมายถึงระยะห่างจากพื้นผิวของเลนส์ด้านหน้าของเลนส์ใกล้วัตถุถึงวัตถุที่จะตรวจสอบ ในระหว่างการตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์ วัตถุที่จะตรวจสอบควรอยู่ระหว่างหนึ่งถึงสองเท่าของทางยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุ ดังนั้น มันและความยาวโฟกัสจึงเป็นสองแนวคิด สิ่งที่มักเรียกว่าการโฟกัสคือการปรับระยะการทำงาน

ในกรณีของรูรับแสงที่เป็นตัวเลขของเลนส์ใกล้วัตถุ ระยะการทำงานจะสั้นและมุมรูรับแสงจะกว้าง

เลนส์ใกล้วัตถุกำลังขยายสูงพร้อมรูรับแสงตัวเลขขนาดใหญ่และระยะการทำงานน้อย