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 Institute of Electronic Structure & Laser IESL Foundation for Research and Technology - FORTH

2

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

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

5 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

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 Οπτικό, με μοναδική διαφορά ότι οι φακοί είναι ηλεκτρομαγνητικοί. Βασικές Αρχές Θεωρίας του Φωτός Γεωμετρική Οπτική: Η Γεωμετρική Οπτική εξετάζει την πορεία του φωτός ως ακτίνα διερχόμενη από φακούς και υπολογίζει την θέση, το είδος και το μέγεθος του ειδώλου και του αντικειμένου Φυσική Οπτική: Η 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. Αυτό επιτυγχάνεται με την ελάττωση της ταχύτητας της δέσμης που τους διαπερνά

12 Γυάλινοι και Ηλεκτρονικοί Φακοί «Θετικοί» Συγκλίνοντες / Αμφίκυρτοι / Συμπύκνωσης «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 εντός του μαγνητικό πεδίου. Συνεπώς η εκτροπή είναι συνεχής με σπειροειδή διαδρομή και όχι απότομη

15 Μαγνητικοί Φακοί

16 Μαγνητικοί Φακοί

17 Η Γεωμετρική Οπτική ΔΕΝ απαντά σε ερωτήματα όπως: Γιατί η Διακριτική Ικανότητα περιορίζεται στο ½ του μήκους κύματος της χρησιμοποιούμενης ακτινοβολίας; Γιατί το φώς ΔΕΝ διαδίδεται σε ευθεία γραμμή; Που οφείλονται ορισμένα ιδιόμορφα φαινόμενα όπως ο σχηματισμός κροσσών; (στα Ηλεκτρονικά Μικροσκόπια τα αντικείμενα περιβάλλονται από «φωτοστέφανα» τα οποία είναι γνωστά ως «κροσσοί Frensel»)

18 Με την γεωμετρική οπτική μπορούμε να σχηματίσουμε μια ικανοποιητική εικόνα για τον τρόπο λειτουργίας φακών και μικροσκοπίων, ακολουθώντας τις γεωμετρικές διαδρομές των οπτικών ακτίνων και ακτίνων (δέσμης) ηλεκτρονίων

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

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

21 Διαδρομή Ακτίνων

22 Εκτροπές Ακτίνων Ανάκλαση (reflection): κατά την ανάκλαση η ακτίνα φωτός, η οποία προσπίπτει σε επιφάνεια, αλλάζει πορεία χωρίς να διέρχεται μέσα από αυτήν. Η γωνία ανάκλασης ισούται με την γωνία πρόσπτωσης Διάθλαση (refraction): κατά τη διάθλαση η ακτίνα φωτός, η οποία προσπίπτει σε επιφάνεια, αλλάζει πορεία και διέρχεται μέσα από αυτό. Η γωνία διάθλασης εξαρτάται από το είδος υλικού

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

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

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

26 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, ο οποίος ισχύει και για τους μαγνητικούς φακούς , u 0 v u f

27 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

28 Πραγματικά και Φανταστικά Είδωλα

29 Φανταστικά Είδωλα Οι ακτίνες αποκλίνουν, με αποτέλεσμα να μην σχηματίζεται πραγματικό είδωλο Το μάτι διακρίνει το φανταστικό είδωλο του αντικειμένου, μεγεθυμένο και ορθό. Αποτελεί τον ενδιάμεσο φακό πολλών Η.Μ. προς έλεγχο της μεγέθυνσης

30 Χαρακτηριστικές Ιδιότητες Φακών Γωνιακό Άνοιγμα και Εστιακό μήκος Το γωνιακό άνοιγμα συμβάλει στη σύλληψη περισσοτέρων πληροφοριών για το αντικείμενο Οι φακοί μεγάλου διαφράγματος συλλέγουν περισσότερες πληροφορίες για το εκάστοτε αντικείμενο Επίδραση Διαφράγματος στο γωνιακό άνοιγμα

31 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟΥ Οι Καλύτερες συνθήκες λειτουργίας του μικροσκοπίου επιτυγχάνονται στα 25cm Η Γωνία εισόδου οπτικών πληροφοριών είναι μόνο 8 ο (Σε Ο.Μ., με αντικειμενικό φακό, η γωνία εισόδου είναι ~175 ο ) Το 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 λεπτό 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 μεγεθυμένο και έχει μεγαλύτερο γωνιακό άνοιγμα οπτικών ακτίνων, συνεπώς επιτυγχάνεται μεγαλύτερη Διακριτική Ικανότητα (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, σε διαστάσεις, μικροσκόπιο λόγω μεγάλης απόστασης φακού ειδώλου Το γωνιακό άνοιγμα θα ήταν πολύ μικρό, συνεπώς θα λαμβάναμε μικρό πλήθος πληροφοριών

38 ΣΥΝΘΕΤΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ Χρήση ενδιάμεσου φακού με σκοπό την εξάλειψη, εμποδίου, της απόστασης Επιπλέον βαθμίδα μεγέθυνσης Τελική μεγέθυνση είναι το γινόμενο των μεγεθύνσεων των φακών

39 ΣΥΝΘΕΤΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ

40 ΣΥΝΘΕΤΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ Μέρη Οπτικού Μικροσκοπίου