Charakteristika lupy a mikroskopu

Lupa (zvětšovací sklo) je jednoduchá optická pomůcka vhodná pro pozorování drobných předmětů. Bývá složena z jedné nebo více spojných skleněných čoček s malou ohniskovou vzdáleností, které jsou upevněny ve vhodné objímce.

Hlavní charakteristikou lupy je její schopnost zvětšení, vyjadřovaná v jednotkách dioptrií, které jsou převrácenou hodnotou ohniskové vzdálenosti udanou v metrech (D = 1/f, například pro f = 0,25 m má čočka 4 dioptrie).

Při přímém pozorování lupou umísťujeme pozorovaný předmět do vzdálenosti kratší než je ohnisková vzdálenost (obrázek). Vznikne tak zvětšený přímý a neskutečný obraz. Zvětšení je dáno vztahem Z = L/f, kde L je konvenční zraková vzdálenost (asi 25 cm) a f je ohnisková vzdálenost lupy.

Obrázek: Schéma zvětšení lupy
F1, F1 ohniska čočky
F2, F2 dvojnásobná ohniska čočky
O pozorovaný objekt
O´ zvětšený obraz

Pro malé zvětšení (asi do trojnásobku) stačí použít jednoduchou čočku (bikonvexní nebo plankonvexní plochou stěnou k oku). Pro větší zvětšení se užívají již složené čočky, u nichž jsou korigovány i optické vady a umožňují bez výrazného zkreslení až třicetinásobného zvětšení.

Mikroskop (starší český název drobnohled) je přístroj k pozorování malých objektů a jejich struktur, pouhým okem nerozeznatelných. Podle vlnové délky použitého záření a schopnosti rozlišit dva body od sebe rozeznáváme mikroskopy světelné a elektronové.

Světelný mikroskop je tvořen dvěma soustavami skleněných čoček sestavených v objektivu a okuláru. Pro pozorování je třeba, aby pozorovaný předmět byl umístěn mezi jedno- až dvojnásobkem ohniskové vzdálenosti objektivu. Pak vzniká na opačné straně objektivu skutečný zvětšený obraz, který lze pozorovat okulárem nebo zachytit na stínítku.

Obrázek: Schéma zvětšení mikroskopu
Fobj , Fobj ohniska objektivu
Fok, Fok ohniska okuláru
úhel krajního paprsku světla
O objekt
O´ převrácený, zvětšený, skutečný obraz
O´´ převrácený, ještě více zvětšený a neskutečný obraz

Celkové zvětšení mikroskopu se rovná součinu zvětšení objektivu (Zobj) a okuláru (Zok). Při použití binokulárního mikroskopu je třeba násobit celkové zvětšení koeficientem binokulární hlavice, který je na ní vyznačen (1,2 nebo 1,5). U nových mikroskopů je koeficient zvětšení roven 1,0. Zvětšení objektivu se někdy vyjadřuje poměrem délky tubusu mikroskopu (S) k ohniskové vzdálenosti objektivu (fobj). Zobj = S/fobj. Zvětšení okuláru pak vyjadřuje vztah Zok = L/fok kde L je konvenční délka a fok ohnisková délka okuláru.

Pro celkové zvětšení mikroskopu (zmikr) tedy dostáváme: zmikr = zobj . zok = S.L / fobj . fok

Rozlišovací schopnost mikroskopu nelze libovolně zvyšovat např. stupňováním okulárového zvětšení, neboť je omezena vlnovou délkou světla. Nejmenší vzdálenost dvou bodů ve struktuře (d), (kterou dovede objektiv ještě rozlišit, tj. zobrazit odděleně od sebe), je závislá na vlnové délce použitého záření () lomené numerickou aperturou objektivu. Numerická apertura (NA) je dána součinem indexu lomu prostředí (n), v němž je pozorovaný objekt, a sinu úhlu () mezi osou objektivu a krajním paprskem, který vstupuje z pozorovaného bodu do frontální čočky objektivu (d = /NA a NA = n . sin ).

Nejlepší objektiv s numerickou aperturou 1,4 dokáže tedy rozlišit ve viditelném světle ( = 400-720 nm) dvě struktury vzdálené d = 560/1,4x0,8 = 500 nm. Čísla na objektivech mikroskopu pak udávají:

mechanická tubusová vzdálenost / tloušťka krycího skla

zvětšení / numerická apertura

Zvětšení mikroskopových objektů mívá hodnoty 4x až 100x (s numerickou aperturou 0,07 1,4). Okuláry mají zpravidla zvětšení 4 až 20násobné. Platí pravidlo, že celkové zvětšení mikroskopu nemá při vizuálním pozorování přesahovat 1000násobek numerické apertury použitého objektivu.

Mikroskop zobrazuje pouze část předmětu, ležící v určité vzdálenosti (hloubce prostoru) od objektivu. Čím větší je numerická apertura objektivu, tím menší je hloubka ostrosti. Proto různé optické roviny preparátu pozorujeme tak, že je postupně doostřujeme mikrometrickým šroubem.

Mikroskop elektronový je přístroj v principiálním uspořádání analogický mikroskopu světelnému. Oblast viditelného světla je nahrazena svazkem elektronů s vlnovou délkou = 0,002 nm. Jeho rozlišovací schopnost může být až 100x větší než u mikroskopu světelného. Rozlišovací schopnost je na úrovni molekul (řádově nm), zatímco u světelného mikroskopu je to jen asi 500 nm (0,5 m).