Kính hiển vi quang học thông thường và kính hiển vi quang học gần trường
Kính hiển vi quang học gần là một cuộc cách mạng đối với kính hiển vi quang học thông thường. Nó không sử dụng ống kính quang học để chụp ảnh, nhưng sử dụng đầu dò để quét trên bề mặt mẫu để có được thông tin về bề mặt mẫu. Đã phân tích bản chất vật lý của các nguyên tắc hình ảnh giữa kính hiển vi quang học truyền thống và kính hiển vi quang học gần, cũng như sự tương đồng và khác biệt trong cấu trúc của hai hệ thống kính hiển vi. Giới thiệu phương pháp sản xuất của đầu dò sợi quang. Trọng tâm là các nguyên tắc phát hiện trường gần, hiệu ứng đường hầm quang học và tính chất của các trường không bức xạ.
Kính hiển vi quang học truyền thống là những thành viên lâu đời nhất của gia đình kính hiển vi, với lịch sử vài trăm năm. Nó từng là phương tiện duy nhất để quan sát các cấu trúc nhỏ. Kính hiển vi quang học truyền thống chủ yếu sử dụng ống kính quang học để phóng đại hoặc đối tượng hình ảnh. Nói chung, một ống kính duy nhất có thể phóng đại một đối tượng nhiều lần và sử dụng kết hợp các ống kính gần như có thể phóng to nó lên gần gần một nghìn lần. Hiệu ứng nhiễu xạ của ánh sáng giới hạn khả năng cải thiện hơn nữa độ phân giải của kính hiển vi quang học. Đây là giới hạn độ phân giải Rayleigh.
Tổng quan về kính hiển vi quang học truyền thống
Kính hiển vi quang học truyền thống bao gồm các ống kính quang học. Bằng cách sử dụng chỉ số khúc xạ của vật liệu và độ cong của ống kính, đối tượng quan sát được phóng đại để có được thông tin chi tiết của nó. Tuy nhiên, độ phóng đại của kính hiển vi quang học không thể được tăng lên một cách tùy ý, vì nó bị giới hạn bởi giới hạn nhiễu xạ quang học.
Trong đó R là khoảng cách giữa hai điểm, là bước sóng của chùm tia, n là chỉ số khúc xạ của môi trường và θ là khẩu độ góc nửa của ống kính thu thập và tập trung chùm tia lên máy dò. Nó chỉ định khoảng cách mà hai điểm có thể được phân biệt chính xác, được xác định bởi các tham số của hệ thống hình ảnh. Sự bất bình đẳng trên chỉ ra rằng để cải thiện độ phân giải (tức là giảm khoảng cách R), chỉ có ba cách: (1) chọn bước sóng ngắn hơn (nếu bức xạ điện từ UV, tia X hoặc chùm electron được chọn, chúng sẽ hiệu quả hơn). (2) Để cải thiện N, làm việc với các vật liệu có chỉ số khúc xạ cao. Đây là nguyên tắc của kính hiển vi ngâm, được phát minh bởi amici vào giữa -19 thế kỷ. (3) Tăng góc khẩu độ của kính hiển vi. Kính hiển vi điện tử sử dụng dầm electron thay vì dầm ánh sáng, cải thiện đáng kể độ phân giải. Cần lưu ý rằng tiêu chí Rayleigh dựa trên giả định về sóng lan truyền. Nếu các trường không bức xạ có thể được phát hiện, dự kiến sẽ tránh tiêu chí Rayleigh và hoàn toàn vượt qua các hạn chế của các rào cản nhiễu xạ.
Nguyên tắc kính hiển vi quang học gần trường
Chúng ta có thể hiểu quá trình hình ảnh như sau: Khi một photon hoặc electron phát ra từ nguồn sáng được chiếu lên đối tượng đích, nó được phản ánh và thu được bởi một số máy dò (như mắt hoặc máy ảnh của người quan sát). Do thực tế là quỹ đạo và số lượng các hạt phản xạ có liên quan đến các tính chất của đối tượng, các chùm hạt mang thông tin về các đặc điểm của đối tượng. Chúng tôi gọi phép chiếu trên mục tiêu là 'hình ảnh'. Về mặt vật lý, các đối tượng và hình ảnh cực kỳ khác nhau: các đối tượng thường là ba chiều; Và nó thường là một hình chiếu hai chiều của các đại lượng vật lý liên quan đến cấu trúc của đối tượng, bởi vì môi trường ghi là hai chiều. Số lượng vật lý này thường là cường độ ánh sáng, vì các máy dò chỉ nhạy cảm với cường độ ánh sáng. Nếu chúng ta thay thế chính đối tượng bằng một trường ánh sáng liên quan đến đối tượng, chúng ta có thể nghiên cứu mối quan hệ giữa trường đối tượng và trường hình ảnh, nghĩa là mối quan hệ giữa cường độ của trường đối tượng và cường độ của nó trên mặt phẳng hình ảnh. Tuy nhiên, câu hỏi đầu tiên cần được trả lời là: Mối quan hệ giữa cấu trúc của một vật thể và trường ánh sáng của nó là gì? Về nguyên tắc, các phương trình của Maxwell cung cấp một cách để nghiên cứu vấn đề này: sự thay đổi phân phối của dòng điện tử hoặc mật độ điện tích bên trong một đối tượng theo tác động của trường điện từ bên ngoài; Các điện tích và dòng điện dao động có thể gây ra những thay đổi trong trường điện từ, cho phép nó lan truyền từ bề mặt của một vật thể đến không gian bên ngoài. Theo nguyên tắc liên tục, có vẻ hợp lý khi suy ra rằng sự phân phối các điện tích và dòng điện trên bề mặt của một vật thể có thể được xây dựng lại từ phân phối trường không gian cực kỳ gần với đối tượng. Do thực tế là sự phân bố các khoản phí hoặc dòng điện chỉ thay đổi ở khoảng cách cực nhỏ (thường nhỏ hơn bước sóng), chúng tôi cũng cho rằng "trường không gian cực kỳ gần với đối tượng" chỉ thay đổi ở khoảng cách nhỏ như vậy.
