Kính kỹ thuật quang học

Kính kỹ thuật quang học là một loại kính hiển vi sử dụng ánh sáng có thể nhìn thấy để quan sát hình ảnh các vật nhỏ được phóng đại bởi hệ thống thấu kính thủy tinh. Kính kỹ thuật quang học là loại kính hiển vi đơn giản và phổ biến nhất. Các kính hiển vi quang học cổ điển thường phải quan sát trực tiếp qua thị kính, nhưng các kính hiện đại ngày nay thường được trang bị thêm máy ảnh CCD hoặc phim quang học để chụp hình ảnh.

Lịch sử phát triển

Bằng chứng lịch sử ban đầu về sự ra đời của kính hiển vi quang học liên quan đến khả năng phóng đại các vật thể đã được công bố trong cuốn Books of Optics vào năm 1021 bởi Ibn al-Haytham (Alhazen). Sau khi cuốn sách này được xuất bản, Roger Bacon tại Anh quốc đã giải thích và mô tả cơ chế phóng đại này vào thế kỷ 13, dẫn đến sự phát triển của kính lúp phóng đại ở Italia.

Những kính hiển vi đầu tiên được phát minh vào năm 1590 tại Middelburg, Hà Lan. Ba thợ kính gồm Hans Lippershey (người đã phát triển các kính viễn vọng trước đó), Zacharias Janssen và cha của họ là Hans Janssen là những người đầu tiên xây dựng những kính hiển vi sơ khai. Năm 1625, Giovanni Faber xây dựng kính hiển vi hoàn chỉnh được đặt tên là Galileo Galilei.

Các cấu trúc của kính hiển vi quang học tiếp tục được phát triển mạnh mẽ sau đó, và việc sử dụng kính hiển vi trở nên phổ biến hơn ở Italia, Anh quốc và Hà Lan vào những năm 1660, 1670. Marcelo Malpighi ở Italia là người đầu tiên sử dụng kính hiển vi để nghiên cứu cấu trúc sinh học trong phổi. Đóng góp lớn nhất thuộc về nhà phát minh người Hà Lan Antoni van Leeuwenhoek, người đã phát triển kính hiển vi để khám phá tế bào hồng cầu và tinh trùng và đã công bố các phát hiện này.

Cấu tạo và hoạt động của kính hiển vi quang học

Một kính hiển vi quang học bao gồm nhiều bộ phận khác nhau, có thể được chia thành các phần sau đây:

• Nguồn ánh sáng;
• Hệ quang học tạo chùm sáng song song;
• Khung mẫu vật;
• Thấu kính (có thể là một ống kính đơn hoặc một hệ thấu kính) là yếu tố chính tạo nên sự phóng đại;
• Hệ đảo ảnh (lăng kính, thấu kính);
• Kính ngắm là thấu kính cuối cùng tạo ảnh quan sát;
• Hệ ghi hình.

Như hình ảnh bên, các phần (theo số thứ tự) có thể mô tả như sau:

1. Kính ngắm: Có thể từ một đến 2 thấu kính thủy tinh cho phép tạo ra ảnh cuối cùng của vật qua hệ quang học. Độ phóng đại của kính ngắm nhỏ, thường chỉ dưới 10x, và được lắp đặt trong một ống trụ, cho phép thay đổi dễ dàng.

2. Khung điều chỉnh vật kính hay còn gọi là đĩa quay để gắn các vật kính có thể xoay đĩa để chuyển sang vật kính khác

3. Thấu kính: là thấu kính quan trọng nhất của các hệ tạo ảnh nhờ thấu kính, là một (hoặc có thể là hệ nhiều thấu kính) có tiêu cự ngắn, cho phép phóng đại vật với độ phóng đại lớn. Nhờ có khung điều chỉnh, các vật kính khác nhau có thể xoay để thay đổi mức phóng đại. Trên thấu kính có thể ghi các mức phóng đại 4x, 5x, 10x, 20x, 40x, 50x, 80x hoặc 100x. Trong một số thấu kính đặc biệt, người ta có thể sử dụng dầu để tăng độ phân giải của hệ thống.

4, 5. Cơ cấu vi chỉnh, cho phép điều chỉnh độ cao của mẫu vật để lấy nét trong quá trình tạo ảnh.

6. Bàn đặt mẫu vật hay còn gọi là bàn kính.

7. Hệ thống ánh sáng, gương... để chiếu sáng mẫu vật.

8. Hệ thống khẩu độ và thấu kính hội tụ để tạo ra chùm sáng song song chiếu qua mẫu vật.

9. Vi chỉnh cho phép dịch chuyển mẫu vật theo chiều ngang để quan sát các phần khác nhau theo ý muốn.

Kính hiển vi quang học hoạt động dựa trên nguyên lý khúc xạ ánh sáng qua hệ các thấu kính thủy tinh. Vật kính, là loại thấu kính có tiêu cự ngắn, là bộ phận chính tạo nên sự phóng đại ảnh của mẫu vật. Ảnh được tạo ra qua thấu kính này là ảnh thật, và ngược chiều so với vật mẫu ban đầu. Ảnh được quan sát ở thị kính chỉ được lật đúng chiều nhờ hệ thấu kính (hoặc lăng kính) trung gian đóng vai trò hệ lật ảnh. Tùy theo cách thức quan sát, ghi nhận ảnh mà ảnh được tạo ra ở thị kính có thể là ảnh thật hoặc ảnh ảo. Ảnh này sẽ là ảnh ảo khi hệ thị kính được thiết kế để quan sát trực tiếp bằng mắt thường, hoặc sẽ là ảnh thật khi hệ thị kính được ghép vào các thiết bị ghi nhận như phim quang học hoặc CCD camera.

Hạn chế độ phân giải

Độ phân giải của một hệ quang học là khả năng phân biệt các điểm không gian, được xác định bởi khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm mà hệ quang học này có thể phân biệt được. Độ phân giải của kính hiển vi quang học bị giới hạn bởi khả năng phân giải của các thấu kính, và cũng bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Độ phân giải của kính hiển vi quang học phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng và chỉ số khẩu độ:

$d=\frac{\mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}}{2NA}$

với $\mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}$ là bước sóng ánh sáng, NA là chỉ số khẩu độ. Vì vậy, độ phân giải của các kính hiển vi quang học tốt nhất chỉ vào khoảng vài trăm nm. Ví dụ với hệ kính sử dụng ánh sáng xanh (λ = 550 nm), chỉ số khẩu độ đối với không khí là 0,95 hoặc có thể đạt cao nhất là 1,5 nếu sử dụng dầu. Do đó, độ phân giải tối ưu của hệ có thể đạt được khoảng dưới 200 nm. Điều này có nghĩa là các điểm trong khoảng này sẽ không thể phân biệt được.

Các loại kính hiển vi quang học

Kính hiển vi đồng tiêu, Kính hiển vi quang học quét trường gần, Kính hiển vi huỳnh quang (Fluorescence microscope), Kính hiển vi quang phổ tử ngoại (Ultraviolet–visible spectroscopy), Kính hiển vi so sánh (Comparison microscope), Kính hiển vi đảo ngược (Inverted microscope), Kính hiển vi thạch học (Petrographic microscope)

Liên kết ngoài

A collection of early microscopes, Historical microscopes Lưu trữ 2007-04-19 tại Wayback Machine, an illustrated collection with more than 3000 photos of scientific microscopes by European makers (tiếng Đức), Metallurgical microscope (SubsTech - free and open knowledge source in Materials Engineering), Molecular Expressions, concepts in optical microscopy, Online tutorial of practical optical microscopy, Optical microscope videos Lưu trữ 2010-01-09 tại Wayback Machine, Structure Magazine, Microscopy Information Easily understandable articles relating to optics, techniques and specimen preparation., OpenWetWare, CurrentProtocols Lưu trữ 2010-01-04 tại Wayback Machine