Теория на дифракционната граница и приложение в микроскопията

От 28.12.1873г.

Без светлинната микроскопия натрупването на знания за микроорганизмите не би довело до обособяване на микробиологията като наука. Възможността да бъдат наблюдавани мигриращи клетки, да се изучи устройството на клетъчните органели и да се разглеждат взаимодействията между протеините, се осъществява благодарение на микроскопските методи. Въпреки това, тези наблюдения имат физични граници, поставящи се от свойствата на светлината, които ограничават погледа ни за клетъчния свят.

В светлинната микроскопия, когато светлината преминава през определен отвор се осъществява явлението дифракция, причиняваща отклонение на вълните от праволинейното им разпространение. Когато този отвор е във вид на леща, дифракционният модел се създава от светлинния участък, преминаващ през кръгова бленда, наименувана "Airy disk" от Джордж Ейри през 1835 година. По-късно се поставят математическите основи за количественото определяне на дифракционно ограничената оптика, която е забелязана като явление за пръв път от Емили Верде. Описва се детайлно от Ернст Аббе.

В своя вестник през 1873 година Аббе съобщава, че най-малкото различимо разстояние между две точки, при ползването на конвенционален микроскоп никога не би могло да бъде по-малко от половината от дължината на вълната. По това време ученият все още не е съумял да изведе математическа формула, описваща явлението, посочено във вестника. Той се опитва да обясни математически, че разделителната способност (резолюцията) е ограничена от дифракцията, разполовявайки светлинната вълна, модифицирана от рефлексния индекс и ъгъла на пречупване на светлината. Аббе извежда уравнение, чрез което хората могат да подобрят пространствената резолюция, използвайки светлинни вълни с по-малка дължина (например ултравиолетови). При микроскопски изследвания това не е желателно, защото има по-голяма възможност пробата да бъде унищожена и светлината да се разсейва в по-голяма степен.

Математическите основи на формирането на изображението на Аббе осигуряват правилното конструиране на микроскопските обективи. За последното си сътрудничат Крал Цайс и Ото Скот. Прозренията на Аббе значително увеличават качеството на микроскопската оптика, която от своя страна допринася значително за по-доброто събиране на данни и засиления потребителски интерес към микроскопите. Достиженията на Аббе, Цайс с Скот в проектирането на лещи има огромно влияние за успехите на компанията за производство на микроскопи "Carl Zeiss".

Освен тези осезателни материални наследства, работата на Аббе установява и физическа граница на изображенията за дълъг период от време. В действителност, изследванията на Аббе повлияват толкова много областта на микроскопията, че много малко хора след него са правили опити да доразвият и преодолеят ограниченията на дифракционната граница, въпреки необходимостта от подобряване на резолюцията и визуализацията на клетъчната структура. Впоследствие са разработени други техники за подобряване на тези недостатъци и вместо с фотони, микроскопите започват да работят с електрони.
 

Статията е част от историята на:

• История на микроскопа