ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ ΔΡ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΜΠΙΝΑΣ Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Κρήτης Thl Crete Center for Quantum Complexity and Nanotechnology Department of Physics, University of Crete Transparent Conductive Materials (Head prof. G. Kiriakidis) Institute of Electronic Structure & Laser IESL Foundation for Research and Technology - FORTH

2 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Σε τι υπερέχει το Η.Μ. έναντι του Ο.Μ.??? Μεγέθυνση ή Διακριτική Ικανότητα

3 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Σε τι υπερέχει το Η.Μ. έναντι του Ο.Μ.??? Μεγέθυνση ή Διακριτική Ικανότητα

4 ΟΠΤΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ, Ο.Μ. Όριο Ο.Μ. : φύση του φωτός Το φως είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Οι πληροφορίες που μπορούμε να συλλέξουμε περιορίζονται στο μήκος κύματος του φωτός

5 ΟΠΤΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ, Ο.Μ. Μπορούμε να διακρίνουμε μόνο αντικείμενα με μέγεθος μεγαλύτερο του μισού μήκους κύματος του κύματος Δεν μπορούμε να δούμε αντικείμενα σε μέγεθος μικρότερο από το ½ του λ του φωτός δηλ. ½ ~ 500 nm = 250 nm

6 ΟΠΤΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ, Ο.Μ. Περιορισμένη Δ.Ι. ματιού ~1/4 ή 0.25 mm φάρδος αντικειμένου (υπό κανονικές συνθήκες παρατήρησης, άνετη θέση, φωτισμός) Μέγιστη χρήσιμη μεγέθυνση με Ο.Μ. Διακρ. ικαν. Ματιού 0.25 x 10-3 m Διακρ. Ικαν. Φωτός 0.25x10-6 m φορές Μεγεθύνσεις πέραν του 1000 χαρακτηρίζονται άχρηστες ή κενές μεγεθύνσεις

7 ΟΠΤΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ, Ο.Μ. Πως μπορούμε να αυξήσουμε την διακριτική ικανότητα με στόχο την συλλογή περισσότερων πληροφοριών????? Λύση

8 ΟΠΤΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ, Ο.Μ. Προβλήματα χρήσης ακτινοβολίας μικρότερου μήκους κύματος Το μάτι δεν είναι ευαίσθητο σ αυτές τις ακτινοβολίες Για λ < UV όλες οι ακτινοβολίες δεν ανακλώνται ούτε κάμπτονται για τον σχηματισμό ειδώλων. Είναι μεγάλης ενέργειας E = hν = hc/λ επομένως ακατάλληλες για π.χ. βιολογικά δείγματα

9 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ, Η.Μ. Χρήση Ηλεκτρονίων Η δέσμη e- διαθλάται και κάμπτεται Το λ της δέσμης e- είναι ~ φορές μικρότερο του αντίστοιχου της ορατής (λ vis =10 5 x λ e ) Οι οπτικές αρχές είναι οι ίδιες με το Ο.Μ.

10 To H.M. ακολουθεί τις ίδιες αρχές λειτουργίας με το Ο.Μ. με την μόνη διαφορά ότι οι φακοί είναι ηλεκτρομαγνητικοί. Βασικές Αρχές Θεωρίας του Φωτός Γεωμετρική Οπτική: εξετάζει την πορεία του φωτός σαν ακτίνα μέσα από φακούς και υπολογίζει την θέση, το είδος και το μέγεθος του ειδώλου και του αντικειμένου Φυσική Οπτική: εξετάζει και ερμηνεύει φαινόμενα όπως η συμβολή και περίθλαση.

11 Γυάλινοι και Ηλεκτρονικοί Φακοί Οι φακοί χρησιμοποιούνται για να εκτρέψουν μία οπτική ή ηλεκτρονική δέσμη κατά προκαθορισμένο τρόπο. Επιτυγχάνεται με ελάττωση της ταχύτητας της δέσμης που τους διαπερνά «Θετικοί» Συγκλίνοντες Αμφίκυρτοι Συμπύκνωσης Κυρίως επίπεδο του φακού

12 Γυάλινοι και Ηλεκτρονικοί Φακοί «Αρνητικοί» Αποκλίνοντες

13 Γυάλινοι και Ηλεκτρονικοί Φακοί «Θετικοί» Συγκλίνοντες (Ο.Μ., Η.Μ.) «Αρνητικοί» Αποκλίνοντες (ΟΜ) Οι μαγνητικοί φακοί δεν αλλάζουν την ταχύτητα της δέσμης ηλεκτρονίων σε αντίθεση με τους οπτικούς.

14 Γυάλινοι και Ηλεκτρονικοί Φακοί Στους οπτικούς φακούς η αλλαγή της πορείας της οπτικής δέσμης γίνεται στην διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ των δύο μέσων (αέρα/φακού, φακού/αέρα), Α Ε Ρ Α Σ Φ Α Κ Ο Σ Α Ε Ρ Α Σ ενώ στους μαγνητικούς φακούς η δύναμη αυτή επιδρά καθόλη την διάρκεια που το ηλεκτρόνιο βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Η εκτροπή είναι συνεχής με σπειροειδή διαδρομή και όχι απότομη

15 Μαγνητικοί Φακοί

16 Μαγνητικοί Φακοί

17 Διαδρομή Ακτίνων Η μέθοδος κατασκευής της διαδρομής ακτίνων υπακούει στις εξής δύο αρχές: Όλες οι ακτίνες που εισέρχονται μέσα στον φακό παράλληλα εξέρχονται διερχόμενες από ένα σημείο του άξονα που λέγεται εστία Όλες οι ακτίνες που εισέρχονται Αντικείμενο (ο) εστία εστιακό σημείο Είδωλο από το γεωμετρικό κέντρο του φακού, εξέρχονται στην ίδια διεύθυνση (δεν κάμπτονται) ανεξάρτητα από την γωνία με την οποία προσπίπτουν στον φακό.

18 Πρίν ή μπροστά από τον φακό Διαδρομή Ακτίνων Αντικείμενο (ο) Αντικείμενο (ο) Είδωλο εστία εστιακό σημείο Μετά ή πίσω από τον φακό Είδωλο

19 Διαδρομή Ακτίνων

20 Εκτροπές Ακτίνων Ανάκλαση (reflection): ακτίνα φωτός η οποία προσπίπτει σε επιφάνεια, αλλάζει πορεία αλλά δεν διέρχεται μέσα από αυτό. Η γωνία ανάκλασης ισούται με την γωνία πρόσπτωσης Διάθλαση (refraction): ακτίνα φωτός η οποία προσπίπτει σε επιφάνεια, αλλάζει πορεία και διέρχεται μέσα από αυτό. Η γωνία διάθλασης εξαρτάται από το είδος υλικού

21 Thin lens Πραγματικά Είδωλα Ο Ray A parallel L C Ray B through Centre C B I

22 Πραγματικά Είδωλα Α O I u AOC C B I O I u v v O I C D F F B I f v f

23 Πραγματικά Είδωλα Α O I u AOC C B I O I u v v O I C D F F B I f v f

24 Πραγματικά Είδωλα Α O I u AOC C B I O I u v v O I C D F F B I f v f ui I u v f f f 1 fv v f f v f u v v u v u f Βασικός τύπος για τους συγκλίνοντες φακούς και ισχύει και για τους μαγνητικούς φακούς των ηλεκτρονίων 1 1 1, u 0 v u f

25 Πραγματικά Είδωλα M v u 1. u v 2 f ό 1 2. u 2 f M 1 3. f u 2 f M 1 Είδωλο ίσο με αντικείμενο Είδωλο μικρότερο αντικειμένου Είδωλο μεγαλύτερο αντικειμένου και ο φακός μεγεθύνει Θεωρητικά, πολύ μεγάλες μεγεθύνσεις μπορούν να επιτευχθούν με ένα απλό συγκλίνοντα φακό σε τεράστιες αποστάσεις απεικόνισης ειδώλου

26 Πραγματικά και Φανταστικά Είδωλα

27 Φανταστικά Είδωλα u f Οι ακτίνες αποκλίνουν και δεν μπορεί να σχηματισθεί πραγματικό είδωλο

28 Φανταστικά Είδωλα u f Το μάτι θα βλέπει το αντικείμενο (φανταστικό του είδωλο) μεγεθυμένο και ορθό Αποτελεί τον ενδιάμεσο φακό αρκετών Η.Μ. που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της μεγέθυνσης

29 Χαρακτηριστικές Ιδιότητες Φακών Γωνιακό Άνοιγμα και Εστιακό μήκος Το γωνιακό άνοιγμα βοηθάει στο να συλλεχθούν περισσότερες πληροφορίες για ένα αντικείμενο Επίδραση Διαφράγματος στο γωνιακό άνοιγμα

30 Χαρακτηριστικές Ιδιότητες Φακών Γωνιακό Άνοιγμα και Εστιακό μήκος Επίδραση Διαφράγματος στο γωνιακό άνοιγμα Φακοί μεγάλου διαφράγματος μπορούν να συλλέξουν περισσότερες πληροφορίες για το αντικείμενο

31 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟΥ Καλύτερες συνθήκες λειτουργίας του επιτυγχάνονται στα 25cm Γωνία εισόδου οπτικών πληροφοριών είναι μόνο 8 ο (Σε Ο.Μ. με αντικειμενικό φακό έχει μία γωνία εισόδου ~175 ο ) Μικρότερο μέγεθος πληροφορίας που μπορεί να ερεθίσει τα οπτικά νεύρα είναι ~0.25μm (ο αμφιβληστροειδής αποτελείται από κωνικά κύτταρα διάστασης ~2.5μm)

32 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟΥ Όρια Ανθρώπινου Ματιού Το ανθρώπινο μάτι είναι ευαίσθητο στην ορατή ακτινοβολία του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος ( nm) Ο βολβός του ματιού περιέχει ένα ρευστό με δείκτη διάθλασης n=1.34 (nαέρα = 1) Η διάθλαση και η εστίαση του εισερχόμενου φωτός λαμβάνει χώρα στην μπροστινή κυρτή επιφάνεια του ματιού, τον κερατοειδή

33 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟΥ Όρια Ανθρώπινου Ματιού Δύο φωτεινές ακτίνες εστιάζουν πάνω στον αμφιβληστροειδή Διάγραμμα ακτίνων ενός λεπτού φακού για ένα μακρινό αντικείμενο, παράλληλες ακτίνες που έρχονται και σχηματίζουν μια εικόνα σε μια απόσταση f Διάγραμμα ακτίνων για ένα κοντινό αντικείμενο

34 ΑΠΛΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ Το αντικείμενο είναι μεγενθυμένο και με μεγαλύτερο γωνιακό άνοιγμα οπτικών ακτίνων, μεγαλύτερη Δ.Ι.

35 ΑΠΛΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ Antony van Leeuwenhoek

36 ΑΠΛΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ

37 ΣΥΝΘΕΤΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ Θεωρητικά μπορούν να επιτευχθούν μεγάλες μεγεθύνσεις με έναν συγκεντρωτικό φακό Προβλήματα Τεράστιο μικροσκόπιο σε διαστάσεις λόγω μεγάλης απόστασης φακού ειδώλου Το γωνιακό άνοιγμα θα ήταν πολύ μικρό (μικρό πλήθος πληροφοριών)

38 ΣΥΝΘΕΤΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ Χρήση ενδιάμεσου φακού για εξάλειψη του εμποδίου της απόστασης Επιπλέον βαθμίδα μεγέθυνσης Τελική μεγέθυνση είναι το γινόμενο των μεγεθύνσεων των φακών

39 ΣΥΝΘΕΤΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ

40 ΣΥΝΘΕΤΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ Μέρη Οπτικού Μικροσκοπίου