Ugrás a tartalomhoz

Optika és látórendszerek

Sánta Imre (2012)

EDUTUS Főiskola

Mikroszkóp

Mikroszkóp

A mikroszkóp az emberi szem által nem (vagy csak nehezen) látható dolgok vizsgálatára szolgáló eszköz. (3.2.1.1. ábra)

3.2.1.1. ábra

Az eszköz képalkotó rendszere két gyűjtőrendszerből áll, amelyet a tubus fog össze. A tubus tárgy felőli részén van a tárgylencse (objektív), a szem felé eső részén a szemlencse vagy okulár. Az objektív a tárgyasztalra helyezett tárgy valódi, fordított, nagyított képét alkotja a tubus belsejében. Az okulár erről a képről virtuális, egyenes állású és nagyított képet ad. A fénymikroszkóp felbontóképességét, illetve elérhető nagyítását a fény hullámhossza korlátozza.[24]

Minden mikroszkóp értéke elsősorban a nagyításától és a felbontóképességétől függ. A nagyítás mértéke a megfigyelt tárgy egyes részeinek lineáris növekedése, a felbontóképesség pedig az a szög, amely alatt két különálló pontot még külön pontként érzékelünk. Az emberi szem felbontóképességének határa egy ívperc (1'). A látószög a tárgynak szemünkhöz való közelítésével növelhető, ennek azonban határt szab az a tény, hogy a tiszta látás távolságán (250 mm) belül szemünk már nem lát élesen.

A szögben megadott felbontóképességet átszámolhatjuk két pont távolságává, amelyeket még különállónak látunk. Ez szabad szemmel 75 mikrométer körüli érték.

A mikroszkóp nagyítása[25]

A mikroszkóp tehát két optikai rendszer (az objektív és az okulár) kombinációja. A 3.2.1.2. ábrán a két összetett, leképezési hibákra korrigált lencserendszernek csak a fősíkjait rajzoltuk be.

3.2.1.2. ábra

A Δ távolság neve: optikai tubushossz, az első rendszer második gyújtópontjának távolsága a második rendszer első gyújtópontjától. Értéke:

Az így kialakított optikai rendszer együttes nagyítása a két optikai elem az objektív és az okulár nagyításának szorzatával egyenlő:

Nmik = βob * Nok

A kombinált rendszer eredő látszólagos gyújtótávolsága:

ahol: 250 = a tisztalátás távolsága,

βob = az objektív nagyítása,

f = a rendszer gyújtótávolsága,

és Nok. = az okulár lupenagyítása.

A fenti egyenletből láthatóan a mikroszkópot egy nagyon rövid gyújtótávolságú nagyítónak (lupe) is lehet tekinteni, amelynek nagyítása:

N1 = 250 / fr.

Egy példával alátámasztva a fentieket:

Legyen az objektív önnagyítása βob = 10x és az okulár nagyítása Nok. = 10x , az (1) egyenlet értelmében a mikroszkóp nagyítása:

Nmik = βob * Nok = 10 x 10 = 100 X

A (2) egyenlet értelmében a kombinált rendszer gyújtótávolsága:

r. = 250 / βob * Nok = 250 / 10 x 10 = 2,5 mm.

A (3) egyenlet értelmében a mikroszkóp nagyítása, mint a lupe szögnagyítása:

N1 = 250 / f = 250 / 2,5 = 100X.

Láthatóan mind két egyenlettel egyenlő nagyítási értéket kapunk.

A mikroszkóp felbontóképessége[26]

Bármilyen tökéletesen csiszolt és korrigált lencse esetén is a – fény hullámtermészete miatt – a lencse befogadó nyílásán fényelhajlás lép fel, aminek következtében egy pontszerű tárgy képe nem pontszerű lesz, helyette egy kis fénylő korongot kapunk. Mivel ezek a kis korongok átfedik egymást, megakadályozzák, hogy tetszés szerinti finomságú struktúrát észlelni tudjunk.

A diffrakció miatti feloldóképesség-határt az Abbe-törvény (Abbe-egyenlet) írja le:

ahol: λ = a megvilágító sugárzás hullámhossza,

d= a felbontóképesség,

n = a frontlencse és a tárgy közötti közeg törésmutatója,

α = a tárgyról a frontlencsébe (objektív lencse) még éppen bejutó fénysugár nyílásszöge (az optikai tengelytől mérve).

A 0,61 érték az Airy-korong átmérőjével, vagyis a kör alakú nyíláson történő fényelhajlás elsőrendű minimumhelyével van kapcsolatban.

Az n.sin α értéket numerikus apertúrának nevezzük.

A képlet alapján belátható, hogy adott hullámhosszú megvilágítás esetén a felbontóképesség a numerikus apertúra (n.sin α) értékétől függ. Minél nagyobb a numerikus apertúra, annál kisebb az a távolság, amely két, a szemünk által külön érzékelhető pont között van. A numerikus apertúra tehát növelhető, egyrészt a közeg törésmutatójának növelésével, másrészt a nyílásszög növelésével. Túlzott nagyítást eredményező lencsekombinációknál a feloldóképesség nem javul, ún. holt nagyítást kapunk.

A mikroszkóp felépítése

3.2.3.1. ábra

A fénymikroszkóp leglényegesebb része az optikai rendszer, amely az alábbi főbb egységekből áll (3.2.3.1. ábra):

  • fényforrás

  • tükör

  • kondenzor

  • objektívek (tárgylencse-rendszerek)

  • okulárok (szemlencse-rendszerek)

Az optikai rendszer hibátlan működését a mechanikai szerkezetek biztosítják:

A mikroszkópállvány súlyos, fémből készült állvány, amelynek feladata az optikai részek biztos, rezgésmentes rögzítése.

A tárgyasztal tartja a preparátumot hordó tárgylemezt. A tárgylemez rögzíthető, és két csavarral, a tárgyasztal felületével együtt, egymásra merőleges két irányban elmozdítható.

Az élesség állítás az egész optikai rendszer rendkívül precíz (mikrométer pontosságú) le-fel mozgatásával történik, a durva- és finombeállító csavarok segítségével. Készítenek ún. inverz mikroszkópot, amelyiknél az optika van alul és fix helyzetű, a mintatartó mozog 3 dimenzióban, és értelemszerűen a minta alját szemléljük.

A fényforrás régebbi típusú mikroszkópoknál külső, a modernebb változatoknál már a készülék talpába épített egység. A fényt egy egyenletesen sugárzó izzószál bocsátja ki. Ennek képét a kollektor lencse (gyűjtőlencse) a kondenzorrekesz síkjába vetíti. A felesleges fény kizárásáról a kollektor rekesz gondoskodik. A fény színének és erejének szabályozására különböző színszűrők, illetve homályos üveglap szolgál. A tárgyasztal alatt, függőleges irányba mozgathatóan helyezkedik el a kondenzor.

Kondenzor alkalmazása esetén síktükörrel, kondenzor nélkül pedig homorú gyűjtőtükörrel vetítik a fényt a preparátumra.

A kondenzorrekesz (írisz diafragma) a megvilágítási nyílásszög beállítására szolgál, ezáltal a tárgykontrasztot szabályozza. A teljesen nyitott kondenzorrekesz fényes, de kontraszt nélküli, míg a túlságosan zárt sötét, kontrasztos képet ad. A kondenzorlencse feladata, hogy a fényforrásból érkező sugarakat a vizsgálandó tárgyra sűrítse. A kondenzor fel-le mozgatható, ezzel érhető el, hogy a kondenzor olyan távolságban legyen a tárgysíktól, amelyben az írisz diafragma képe a tárgysíkban jelenik meg. A kondenzorból érkező, a vizsgált tárgyon áthaladó és megtörő fénysugarak az összetett nagyítórendszer első tagjába, az objektívbe kerülnek.

Az objektív (tárgylencse). A lencsék szférikus, és/vagy kromatikus lencsehibákkal rendelkezhetnek a nagy numerikus apertúra miatt. Ezek csökkenthetőek úgy, hogy összetett lencserendszert, sőt nem gömbfelülttel határolt lencséket alkalmaznak. A színi eltérés csökkentése a lencsék anyagának kombinálásával történik. Két szín korrekciója esetén – ezek a zöld és a sárga, amelyekre szemünk a legérzékenyebb – akromát lencséről beszélünk. Az objektíven ezt külön nem jelölik meg. Három szín korrekciója esetén apokromát lencséről beszélünk, ezeket „apochromat” felirattal jelölik. Az objektív frontlencséje és a tárgy közötti távolság, a szabad tárgytávolság, a legnagyobb nagyítású tárgylencsék esetében a milliméter törtrésze, ezért a lencse védelmét úgy oldják meg, hogy az objektív egy rugó ellenében felfelé teleszkópszerűen elmozdulhasson. Ily módon elkerülhető a mikroszkóp beállításakor a tárgylemezre való erős rászorítás, ami a frontlencse sérüléséhez vezethet.

A tárgylencsén a következő adatokat szokás feltüntetni:

  • lineáris nagyítás,

  • numerikus apertúra,

  • tubushossz és az alkalmazható fedőlemez vastagsága.

Az objektív a tárgyról elsődleges, valódi nagyított képet készít, amit a szemlencserendszer (okulár) nagyít tovább, és virtuális másodlagos képet hoz létre. A legelterjedtebb a Huygens-féle okulár, amely egy kollektívlencséből és egy szemlencséből, valamint a kettő között elhelyezett fényrekesztő gyűrűből áll. Ez utóbbi a képet teszi élesebbé.

Az objektívet és az okulárt rögzítő és összekötő tubus szabványosított hossza 160 mm.

A korszerű mikroszkópok a kényelmesebb betekintés érdekében 45 fokban (egyeseknél 60 fokban) megtört binokuláris tubussal (kettős okulárcső) vannak ellátva. Ez sokkal kényelmesebb és kevésbé fárasztó megfigyelést tesz lehetővé, mint az egy szemmel (monokuláris) való megfigyelés.

Speciális fénymikroszkópok

Ultraibolya-mikroszkóp

Minthogy a mikroszkóp feloldóképessége a hullámhosszal arányos, UV-tartományban (rövidebb hullámhosszon) jobb felbontás érhető el. Hátránya, hogy csak UV-ben érzékeny CCD kamerával lehet a képet detektálni, szemmel nem.

Ultramikroszkóp

Zsigmondy Richard magyar származású, Nobel-díjas kémikus találmánya kolloid oldatok, vagyis hullámhossznál sokkal kisebb méretű oldott részecskék tanulmányozására. Lényege az, hogy sötét háttér előtt oldalról világítja meg a mintát, így a kisméretű részecskékről szóródó gyenge fényt (diffrakciós gyűrűket) is láthatóvá tudta tenni.

Fáziskontraszt-mikroszkóp

Átlátszó, tehát a fényt el nem nyelő közegek vizsgálata lehetséges vele oly módon, hogy a beeső megvilágító fényt egy éles szélű lappal kitakarja, így az nem jut az objektívbe közvetlenül. Ennek a fénynek egy részét L/4 fázistolással azonban oldalról az okulár tárgysíkjába vetítjük, ahol találkozik, interferál a mintában lévő törésmutató (sűrűség) változás miatt szintén fáziskésést szenvedett fénnyel. Az interferencia világos-sötét csíkokat eredményez (látható lesz a „láthatatlan”).

Lumineszcencia-mikroszkóp

A megvilágító fényt a minta általában elnyeli. Legtöbb esetben ez az energia hővé alakul, azonban számos molekula – jobb, rosszabb hatásfokkal – egy más ( a molekulára jellemző) színű fény formájában néhány nanoszekundum késéssel, lecsengéssel újra kisugározza. Ez a lumineszcencia. Megvilágításra legtöbbször UV fényt alkalmaznak, legtöbb anyag lumineszkál (fluoreszkál, foszforeszkál) ennek hatására.

Polarizációs mikroszkóp

Különösen szilárd testek, például az ásványok vizsgálatánál a kristályok, mikrokristályok (domének) megváltoztatják a megvilágító fény polarizációs állapotát. Így, ha a megvilágítóhoz képest 90 fokkal elforgatott (keresztezett) polarizátoron keresztül nézzük a mintát, részletgazdagabb, több információt (anizotrópia) tartalmazó képet kapunk.

Binokuláris mikroszkóp

Szemmel való tartós mikroszkóphasználat során célszerű mindkét szembe bevezetni a képet úgy, hogy, egy féligáteresztő tükörrel „felezik meg” a fényt, és mindkét szembe, a tisztánlátásnak megfelelő vagy végtelen távolságba akkomodált szemtengelynek megfelelő irányba vezetik ugyanazt a képet. Tisztábban látjuk a képet, de nincs térlátás.

Sztereó mikroszkóp

A nagy átmérőjű objektívon keresztül a két szemnél lévő két okulár két független irányból jövő képet vetít a bal és jobb szembe. Ezáltal valódi térlátás, mélységérzet is kialakul.

Fémmikroszkóp

Teljesen reflexiós, tehát felső megvilágítású, gyakran polarizált fényt használ. A fémötvözetek doménjeinek megjelenítésére alkalmas, különösen a polarizációs feltéttel (3.2.4.1. ábra).

3.2.4.1. ábra

Inverz mikroszkóp

A minta jellege gyakran olyan, hogy alulról való megfigyelés lenne célszerűbb. Ezért a mikroszkópot „fejére állították”, vagyis az objektív van alul, és a megvilágítás van fölül. Elvileg nincs különbség, a mintatartó, mozgató rész jobban hozzáférhető.

Konfokális (lézer) pásztázó mikroszkóp

Az elve az (3.2.4.2. ábra), hogy a mikroszkóp objektívje a képet egy tűlyukra képezi le, és csak abból a tárgypontból jövő fény jut át teljes egészben a lyukon, amelyiknek a képe a tűlyuk. Mélységben mind az előtte, mind a mögötte lévő képpontokból jövő fény nagyobb foltban teríti be az apertúrát, vagyis nem jut el fény a detektorba. Ezáltal nemcsak síkbeli, hanem mélységbeli (3D) felbontása is lesz a rendszernek. Hátránya, hogy a kép egy számítógépben áll csak össze, hiszen 3D mátrixban kell végigtapogatni a tárgyat, pl. 1000 x 1000 x 1000 pixeles felbontásban, ez 1 GB adat. Javítható a felbontóképesség, ha a megvilágítás is pontszerű (lézer fénye van lefókuszálva), illetve még jobb, ha rövid, nagy teljesítményű impulzusokkal gerjesztjük a mintát, amely csak a kétszeres frekvenciájú fényt abszorbeálja. Ekkor a fókuszpontnak is csak a közepe vált ki (ún. kétfotonos) fluoreszcenciát, tovább javítva a felbontóképességet.

3.2.4.2. ábra

3.2.4.3. ábra

Elektronmikroszkóp

Az elektronmikroszkóp működési elvében látszólag nem különbözik a fénymikroszkóptól, csak a fény helyett elektronokat használ. Ugyanakkor ezen „apró” különbség miatt MINDEN egészen más az elektronmikroszkópban, mint a fénymikroszkópban.

3.2.5.1. ábra

Az elektronmikroszkópban a tárgy „megvilágítására” nagy sebességű elektronsugarat használnak, aminek az előállításához nagy vákuumra (< 10-5 mbar) és nagy feszültségre (100000 V) van szükség. A fókuszáló, leképező „elektronlencsék” bonyolult, homogén és inhomogén mágneses és elektromos teret előállító tekercsek (3.2.5.2. ábra) és elektrosztatikus terek.

3.2.5.2. ábra

Minden nehézséget kárpótol azonban, hogy az elérhető felbontóképesség az atom mérete szintjén (0,1 nm = 1 Angström) van, szemben a legjobb fénymikroszkópéval, ami ennek 1000-szerese. A 3.2.5.3. képen látható egy szúnyog feje pásztázó (szkenning) elektronmikroszkópon.

3.2.5.3. ábra

A vizsgálandó tárgy is vákuumban van, (így nem lehet pl. folyadék), és egészen máshogy lép kölcsönhatásba a letapogató elektronokkal (3.2.5.4. ábra), mint a fénnyel. Valójában az ábrán feltüntetett minden kölcsönhatásra lehet vizsgálati módszert alapozni. Például a röntgen fotonok energiaspektrumának méréséből a minta elemösszetételét kaphatjuk meg (XRF=Röntgenfluoreszcencia).

3.2.5.4. ábra

Az elektron ezen a hosszúság tartományon már – a fényhez hasonló – részecske-hullám kettősséget mutat, vagyis hullámként terjed (elhajlik, interferál). Az energiájával (a gyorsító feszültséggel) fordított arányban változik az anyaghullám hullámhossza.

Az anyaghullámokat deBroglie vezette be: minden, v sebességgel mozgó m tömegű testhez hullám rendelhető, ennek hullámhossza:

Tehát minden test rendelkezik részecske- és hullámtulajdonságokkal is, a tömeg és a sebesség határozza meg, hogy melyik jelleg a domináns.

Végső határként az elektronmikroszkópnál is a hullámtulajdonságok limitálják a felbontóképességet.

Az elektronmikroszkópnak több fajtája ismeretes:

A transzmissziós elektronmikroszkópoknál (TEM) az elektronsugár egy része irányváltoztatás nélkül áthatol a vizsgált mintán, egy másik része az anyag egyes struktúráin elnyelődik vagy szóródik. A képalkotásban elsősorban az áthaladt elektronok vesznek részt, a kép tehát árnyékkép, sötét, ahol a minta nem engedte át az elektronokat.

Lehet sötét látóterű TEM-leképezést is csinálni, a rugalmasan szórt elektronokat használjuk fel a leképezésre és a közvetlenül áthaladó elektronokat rekesztjük ki a képalkotásból egy szűk rekesz (objektív-diafragma) segítségével. Ekkor ott világos a kép, ahol valami szórta az elektronokat.

A másik típus a pásztázó elektronmikroszkóp (angolul Scanning Electron Microscope; SEM), amely a vizsgált mintára irányított, vékony elektronnyalábbal végigpásztázza a felületet, az elektronsugár és a tárgy kölcsönhatásából származó jeleket erre alkalmas detektorokkal érzékeli, és ezeket feldolgozva a felületről háromdimenziójú képet készít a számítógép.

3.2.5.5. ábra

Lehet kombinálni is a két módszert, csak a mintára fókuszáló kollimátornak is ugyanolyan jó elektronlencsének kell lennie, mint a minta utáni leképező (projektor) lencsének.

A 3.2.5.6. képen látható a PTE Fizikai Intézetének JEOL 100 STEM kombinált trans-scan elektronmikroszkópja XRF detektorral.

3.2.5.6. ábra