Numerisk apertur

Figur 1: Numerisk apertur. När ljusknippet från passerar till ett medium med annan optisk täthet bibehålls den numeriska aperturen i enlighet med Snells lag: .

Numerisk apertur är inom optiken ett dimensionslöst (saknar enhet) värde som anger ett vinkelomfång inom vilket ett optiskt system kan uppta eller utsända ljus. Den definieras något olika inom skilda områden.

Begreppet infördes av Ernst Abbe.[1]

Mikroskopi

Inom mikroskopi (liksom inom huvuddelen av optiken) definieras den numeriska aperturen för objektiv genom:

där betecknar brytningsindex för mediet mellan objektivet och objektet (1,00 för luft, 1,33 för vatten, 1,40 för silikonolja[2], 1,47 för glycerin och 1,51 för immersionsolja[3] - täckglas och objektivets frontlins tillverkas av kronglas som har brytningsindex 1,51), medan betecknar halva den vinkel inom vilket objektivet kan uppta ljus från objektet (se figur 1).

Ju högre den numeriska aperturen är, desto ljusstarkare är objektivet och det innebär även att dess upplösning blir högre enligt Rayleighkriteriet[4]:

där betecknar det minimala avståndet mellan två separat urskiljbara punkter på objektet och ljusets våglängd.

Den numeriska aperturen för objektivet anges på detsamma efter förstoringen och skiljs från denna av ett snedstreck.[5]

Mikroskopobjektiv med förstoringen 10× och den numeriska aperturen 0,25.[6]
Principskiss av en frontlins på ett mikroskopobjektiv överst och ett (överdrivet tjockt) täckglas underst, mellan vilka finns luft (till vänster) respektive immersionsolja (till höger). Siffrorna anger brytningsindex för de olika materialen. Är vinkeln (θ) över 41° sker totalreflektion mot luft (och dessutom bryts en del ljus så att det missar objektivet).
Det högra objektivet kan med hjälp av en vridbar ring som flyttar en linsgrupp ställas in för medier med olika brytningsindex (samt om täckglas används eller ej - vilket ju inte spelar någon roll för immersionsolja, varför det bara finns en inställning för "Oil").[5]
Ett 100× objektiv med immersionsolja mellan objektivet och täckglaset.

Referenser och noter

  • Rainer Danz, 2005, Numerische Apertur, Immersion und förderliche Vergrößerung, i Innovation 15, Carl Zeiss AG, sid. 12–16.
  1. ^ E. Abbe, 1881, On the Estimation of Aperture in the Microscope Arkiverad 20 oktober 2019 hämtat från the Wayback Machine. i Journal of the Royal Microscopical Society, sid. 394: "...a being put for n sin u and therefore denoting the product of the sine of the semi-angle of aperture and the refractive index of the medium..." och 395 : "... is expressed by the value of a or by the «numerical aperture»."
  2. ^ Silikonolja används för levande celler, vilka har ett brytningsindex på 1,38. Se Andrew Samuelsson, 2017, Silicone Immersion Objectives Answer the Call for Higher Resolution på PhotonicsMedia.
  3. ^ Immersionsolja används i huvudsak för objektiv med en förstoring på 100× eller mer för att minimera ljusförlusterna genom brytning och reflektion och således få in så mycket ljus som möjligt i objektivet. Se "immersion" och "immersionsolja" på Ordlista – Ett mikroskops komponenter & funktioner på Allt om mikroskopet (se även "numerisk apertur"!).
  4. ^ The Diffraction Barrier in Optical Microscopy på MicroscopyU.
  5. ^ [a b] Michael W. Davidson, Microscope Objective Specifications på MicroscopyU.
  6. ^ Den undre raden anger först att objektivet är anpassat för den optiska tublängden 160 mm. Strecket efter tublängden anger att objektivet är avsett att användas både med och utan täckglas (annars anges här täckglastjockleken i mm, där "0" betecknar utan täckglas).

Media som används på denna webbplats

ZEISS Autocorr Microscope Objectives (30539466086).jpg
Författare/Upphovsman: ZEISS Microscopy from Germany, Licens: CC BY 2.0

To image subcellular structures you need objectives with a high numerical aperture. But the resulting wide opening angle makes them especially susceptible to spherical aberrations caused by different refractive indices and interfaces in both the optical system and the sample. With Autocorr - a new generation of objectives - you simply adjust the optics of your microscope to your sample. Expect crisp contrast even deep inside in your specimen. And much more efficient fluorescence detection. You will get better data while less excitation intensity will improve the viability of your samples. www.zeiss.com/axioobserver

Images donated as part of a GLAM collaboration with Carl Zeiss Microscopy - please contact Andy Mabbett for details.
Objective altami.jpg
Författare/Upphovsman: Dmitry Dolbunov, Licens: CC BY-SA 3.0
objective for Altami microscope
Immersionsolja.svg
Författare/Upphovsman: Episcophagus, Licens: CC BY-SA 4.0
Microscope objective front lens (n=1.51) and cover glass (n=1.51) between which is air (n=1.00) to the left and immersion oil (n=1.51) to the right. Red rays from red "bacterium".
Immersion microscopy.jpg
Immersion_microscopy by Olympus Plan PLL x100 lens.