مقدمة إلى مجالات التطبيق الرئيسية للمجهر الضوئي
المجهر الضوئي هو أداة علمية قديمة وشابة. ويبلغ تاريخها 300 سنة منذ ولادتها. المجهر الضوئي لديه مجموعة واسعة من الاستخدامات. على سبيل المثال، في علم الأحياء والكيمياء والفيزياء وعلم الفلك وما إلى ذلك، لا يمكن فصله عن المجهر في بعض أعمال البحث العلمي.
وفقًا لأغراض التطبيق المختلفة، يمكن تصنيف المجاهر تقريبًا إلى أربع فئات: المجاهر البيولوجية، والمجاهر المعدنية، والمجاهر المجسمة، والمجاهر المستقطبة. كما يوحي الاسم، تستخدم المجاهر البيولوجية بشكل رئيسي في الطب الحيوي، وتكون كائنات المراقبة في الغالب أجسامًا دقيقة شفافة أو نصف شفافة؛ تستخدم المجاهر المعدنية بشكل رئيسي لمراقبة سطح الأجسام غير الشفافة، مثل البنية المعدنية والعيوب السطحية للمواد؛ في حين أن المجاهر المجسمة تعمل على تكبير الكائنات الدقيقة، فإنها أيضًا تصنع الأشياء والصور في نفس الاتجاه بالنسبة للعين البشرية، ولديها إحساس بالعمق، وهو ما يتماشى مع العادات البصرية التقليدية للناس؛ تستخدم المجاهر المستقطبة خصائص النقل أو الانعكاس للمواد المختلفة للضوء المستقطب للتمييز بين مكونات الكائنات الدقيقة المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تقسيم بعض الأنواع الخاصة. على سبيل المثال، المجهر البيولوجي المقلوب أو مجهر الثقافة هو مجهر بيولوجي يستخدم بشكل رئيسي لمراقبة الثقافة من خلال الجزء السفلي من وعاء الثقافة؛ يستخدم المجهر الفلوري خصائص مواد معينة لامتصاص الضوء بطول موجي أقصر محدد وإصدار ضوء بطول موجي محدد أطول لاكتشاف وجود هذه المواد وتحديد محتواها؛ يمكن لمجهر المقارنة أن يشكل صورًا متجاورة أو متراكبة لكائنين في نفس مجال الرؤية لمقارنة أوجه التشابه والاختلاف بين الكائنين.
تتكون المجاهر الضوئية التقليدية بشكل أساسي من أنظمة بصرية وهياكلها الميكانيكية الداعمة. تشمل الأنظمة البصرية العدسات الشيئية والعدسات العينية والعدسات المكثفة، وكلها عبارة عن نظارات مكبرة معقدة مصنوعة من نظارات بصرية مختلفة. تقوم العدسة الشيئية بتكبير العينة، ويتم تحديد تكبيرها Mobject بالمعادلة التالية: Mobject =Δ∕f'object، حيث f'object هو البعد البؤري للعدسة الشيئية، ويمكن فهم Δ على أنها المسافة بين العدسة الشيئية والعدسة العينية. تقوم العدسة العينية بتكبير الصورة المتكونة بواسطة العدسة الشيئية مرة أخرى، وتشكل صورة افتراضية بمقدار 250 ملم أمام العين البشرية للمراقبة. هذا هو وضع المراقبة الأكثر راحة لمعظم الناس. تكبير العدسة M=250/f' عين، حيث f' هو البعد البؤري للعدسة. التكبير الكلي للمجهر هو نتاج العدسة الشيئية والعدسة العينية، أي كائن M=M*M عين=Δ*250/f' عين *f; هدف. ويمكن ملاحظة أن تقليل البعد البؤري للعدسة الموضوعية والعدسة العينية سيزيد من التكبير الكلي، وهو مفتاح رؤية البكتيريا والكائنات الحية الدقيقة الأخرى بالمجهر، وهو أيضًا الفرق بينها وبين العدسات المكبرة العادية.
لذا، هل من الممكن تصغير شبكة الكائن f بلا حدود، وذلك لزيادة التكبير، حتى نتمكن من رؤية أشياء أكثر دقة؟ الجواب لا! وذلك لأن الضوء المستخدم في التصوير هو في الأساس نوع من الموجات الكهرومغناطيسية، لذا فإن ظواهر الحيود والتداخل ستحدث حتمًا أثناء عملية الانتشار، تمامًا مثل التموجات الموجودة على سطح الماء والتي يمكن رؤيتها في الحياة اليومية يمكن أن تدور عند مواجهة العوائق ، ويمكن لعمودين من موجات الماء أن يقوي أو يضعف أحدهما الآخر عندما يلتقيان. عندما تدخل موجة الضوء المنبعثة من جسم مضيء نقطي الشكل إلى العدسة الشيئية، فإن إطار العدسة الشيئية يعيق انتشار الضوء، مما يؤدي إلى الحيود والتداخل. وبعد المرور عبر العدسة الموضوعية، لم يعد بإمكانها التجمع في نقطة واحدة، بل تشكل بقعة من الضوء بحجم معين، وهناك سلسلة من الحلقات الضوئية ذات الشدة الضعيفة والمضعفة تدريجيًا على المحيط. نحن نسمي النقطة المضيئة المركزية بالقرص الهوائي. عندما تكون نقطتان باعثتان للضوء قريبتين من مسافة معينة، ستتداخل نقطتا الضوء حتى لا يمكن التعرف عليهما كنقطتين ضوئيتين. اقترح رايلي معيارًا للحكم، معتقدًا أنه عندما تكون المسافة بين مركزي نقطتي الضوء مساوية لنصف قطر القرص الهوائي، يمكن تمييز نقطتي الضوء. بعد الحساب، المسافة بين نقطتي انبعاث الضوء في هذا الوقت هي e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA في الصيغة، In هو الطول الموجي للضوء، ويبلغ الطول الموجي لموجة الضوء التي يمكن أن تستقبلها العين البشرية حوالي 0.4-0.7um، وn هو معامل انكسار الوسط الذي تقع فيه نقطة انبعاث الضوء. على سبيل المثال، في الهواء، n≈1، في الماء، n≈1.33، و A هي نصف زاوية فتح نقطة الانارة إلى إطار العدسة الموضوعية، وتسمى NA الفتحة العددية للعدسة الموضوعية. يمكن أن نرى من الصيغة المذكورة أعلاه أن المسافة بين نقطتين يمكن للعدسة الشيئية تمييزها محدودة بالطول الموجي للضوء والفتحة العددية. نظرًا لأن الطول الموجي للعين البشرية الأكثر حساسية يبلغ حوالي 0.5um، والزاوية A لا يمكن أن تتجاوز 90 درجة، فإن sinA دائمًا أقل من 1. الحد الأقصى لمعامل الانكسار للضوء الذي ينقل الضوء تبلغ قيمة الوسيط حوالي 1.5، لذا تكون قيمة e دائمًا أكبر من 0.2um، وهي الحد الأدنى للمسافة التي يمكن تحديدها بواسطة المجهر الضوئي. تكبير الصورة من خلال المجهر. إذا كنت تريد تكبير مسافة نقطة الكائن e التي يمكن حلها بواسطة العدسة الموضوعية بقيمة NA معينة بما يكفي لتحليلها بالعين البشرية، فأنت بحاجة إلى Me أكبر من أو يساوي 0.15mm، حيث { {29}}.15 مم هو الحد الأدنى للمسافة بين جسمين صغيرين يمكن للعين البشرية تمييزهما عند 250 مم أمام عينيك، لذا M أكبر من أو يساوي (0.15∕0.61)NA ≈500 ن.أ. يكفي مضاعفة التكبير، أي 500N.A أقل من أو يساوي M أقل من أو يساوي 1000N.A، وهو نطاق اختيار معقول للتكبير الكلي للمجهر. بغض النظر عن حجم التكبير الإجمالي، فهو لا معنى له، لأن الفتحة الرقمية للعدسة الموضوعية قد حدت من الحد الأدنى للمسافة القابلة للتحليل، ومن المستحيل التمييز بين تفاصيل الكائن الأصغر عن طريق زيادة التكبير.
يعد تباين التصوير مشكلة رئيسية أخرى في المجاهر الضوئية. يشير ما يسمى بالتباين إلى التباين الأسود والأبيض أو اختلاف اللون بين الأجزاء المتجاورة على سطح الصورة. من الصعب على العين البشرية الحكم على اختلاف السطوع الموجود تحت 0.02، ولكنها أكثر حساسية قليلاً لاختلاف اللون. تحتوي بعض الأجسام المجهرية، مثل العينات البيولوجية، على اختلاف بسيط جدًا في السطوع بين التفاصيل، كما أن أخطاء التصميم والتصنيع للنظام البصري المجهري تقلل من تباين التصوير وتجعل من الصعب التمييز. في هذا الوقت، لا يمكن رؤية تفاصيل الكائن بوضوح.
على مر السنين، عمل الناس بجد لتحسين دقة وتباين تصوير المجهر. مع التقدم المستمر لتكنولوجيا وأدوات الكمبيوتر، تم أيضًا تحسين نظرية وأساليب التصميم البصري بشكل مستمر. إلى جانب تحسين أداء المواد الخام، والتحسين المستمر للتكنولوجيا وطرق الكشف، وابتكار طرق المراقبة، اقتربت جودة التصوير بالمجهر الضوئي من كمال حد الحيود. سوف يستخدم الناس تلطيخ العينات، والحقل المظلم، وتباين الطور، والفلورة، والتداخل، والضوء المستقطب. ظهرت أدوات التصوير الواحدة تلو الأخرى، ولها أداء متفوق في بعض الجوانب، لكنها لا تزال غير قادرة على منافسة المجاهر الضوئية من حيث الرخص، والراحة، والحدس، ومناسبة بشكل خاص للبحث عن الكائنات الحية. لا تزال المجاهر الضوئية تحتل مواقعها الخاصة. من ناحية أخرى، جنبا إلى جنب مع الليزر والكمبيوتر وتكنولوجيا المواد الجديدة وتكنولوجيا المعلومات، فإن المجهر الضوئي القديم يتجدد ويظهر حيوية قوية. المجاهر الرقمية، مجاهر المسح متحد البؤر الليزرية، مجاهر المسح القريبة من المجال، المجاهر ثنائية الفوتون والأدوات ذات الوظائف الجديدة المختلفة أو التي يمكن أن تتكيف مع مختلف الظروف البيئية الجديدة تظهر في تيار لا نهاية له، مما يزيد من توسيع مجال تطبيق المجاهر الضوئية، كما أمثلة. كم هي مثيرة الصور المجهرية للتكوينات الصخرية التي تم تحميلها من مركبات المريخ الجوالة! يمكننا أن نؤمن تمامًا أن المجهر الضوئي سيفيد البشرية بموقف محدث.
