IX. Az emberi szem és a látás biofizikája IX.1. Az emberi szem felépítése A szem az emberi szervezet legfontosabb érzékelő szerve, mivel a szem és a központi idegrendszer közreműködésével az elektromágneses hullámok λ = 0,4... 0,75 μm hullámhosszúságú tartományában érkező optikai információk látásérzetté alakíthatóak. Az emberi szem nagyjából gömb alakzatú, kb. 24 mm átmérőjű páros szerv. A szemgolyót a következő védőrétegek övezik (1 ábra): - Inhártya – rostos szerkezetű fehér színű burkot alkotó réteg, amelynek elvékonyodó elülső átlátszó része a szaruhártyát (cornea) alkotja, - Érhártya –a szemgolyó hátsó kétharmadán az inhártyának a belső részét borítja és igen sok pigmentet tartalmaz, - Ideghártya – retina – a szemgolyó legbelső, néhány tizedmilliméter vastagságú átlátszó rétegét alkotja, amely látóidegek végződéseivel van behálózva. - Sugártest – cilliárizmok - a sugárirányú izomrostokkal szabályozza a szemlencse optikai erősségét. - Szivárványhártya –irisz–, amely a sugártest folytatásaként elvékonyodva körgyűrű alakú rekesznyílást képez és a benne található különböző színű festékanyagok meghatározzák a szem színét. A szivárványhártya középső nyílása a pupilla, amelynek átmérője 1,5…7 mm között változhat a szembe érkező fényáram függvényében. A szaruhártya és a szivárványhártya között található egy üreg (elülső szemcsarnoknak nevezett tér), amelyet híg vizes oldat az ún. csarnokvíz tölt ki.
1. ábra. A szem keresztmetszeti vázlatrajza: az emberi szem vízszintes síkmetszetének ábrája mutatja, hogy a látóideg végződéseinek belépési területe nem az optikai tengelyen helyezkedik el
A szivárványhártya mögött helyezkedik el a kétszeresen domború szemlencse, amelynek átmérője kb. 10 mm, vastagsága kb. 4 mm. A szemlencsét határoló felületek görbülete nem azonos, a hátsó felület görbületi sugara kisebb, azaz görbülete nagyobb. A görbületi sugarak nagysága megközelítőleg 10 mm, illetve 6 mm. A szemlencse mögötti hátsó teret a kocsonyás állományú üvegtest tölti ki. Mivel a felsorolt tartományok eltérő optikai törésmutatóval rendelkező anyagok, ezért a fenysugár útja törést szenved a válaszfelületeken való áthaladás pillanatában. A cornea törsémutatója 1,376, a csarnokvíz és az üvegtest törsémutatója 1,336. A szemlencse a hagyma felépítéséhez hasonló réteges szerkezetű, amelynek törésmutatója kivülről befele haladva n=1,336-tól n=1,406 értékig nő. Ennek következtében a szemlencse úgy viselkedik, mintha összességében egy egységes n=1,413 törésmutatójú anyagból állna. A szemlencsének az optikai törőképessége 24 dioptria, illetve a szemnek mint optikai rendszernek a teljes törőképessége 66,5 dioptria, amit az egyes komponensek optikai törőképessége határoz meg. A szem optikai tengelye közel 5 fokos szöget zár be a szemgolyó első és hátsó pólusát összekötő szemtengellyel. A szem optikai tengelye a retinát a legtöbb idegvégződést tartalmazó helyen az ún. sárgafoltban metszi. A sárgafolttól közel 15 fokos szögirányban a látóideg belépési helyén nem találunk idegvégződést, ezt a foltot vakfoltnak nevezzük. A valós szem helyett gyakran a redukált szem modelljét használjuk a képalkotás egyszerűbb jellemzése céljából. A redukált szem modellje egy n=1,333 törésmutatójú homogén anyaggal betöltött optikai közeg, amelynek a cornea oldali görbületi sugara 5 mm. Ennek első fókuszpontja 15 mm távolságra van a cornea előtt, a második pedig 15 mm távolságra az optikai középpont mögött. A redukált szem teljes hossza 20 mm, törőképessége 66,5 dioptria (2. ábra).
2. ábra. A redukált szem modellje
IX.2. A látás biofizikája A szem egyszerűsített modellje vázolja a képalkotás lehetőségét, éspedig a távoli tárgyról érkező fénysugár által alkotott kép a retinán keletkezik a rövid fókusztávolság következtében. A normális emberi szem a végtelenben levő tárgyról hasonló módon hozza létre a képet a retinán. A szemhez közeledő tárgyakról a szemlencse továbbra is éles rajzolatú képet állít elő, mivel a szem alkalmazkodik (accomodatio). Ez abban nyílvánul meg, hogy a szemlencse a sugártest izmainak összehúzódása következtében domborúságát megnöveli, a törésmutató értéke ugyancsak változik az n=1,424 maximális értékre, amely által a szemlencse törőképessége kb. 10 dioptriával megnövekszik és ez lehetővé teszi a
retinán kialakuló éles kép keletkezését. Azt a legkisebb távolságot, amelyen belül a szem már nem képes a retinán éles rajzolatú képet alkotni, közelpontnak (punctum proximum) nevezzük. Azt a legtávolabbi pontot, amelyről a retinán éles kép kialakítása lehetséges a normál emberi szem számára, távolpontnak (punctum remotum) nevezzük. Egészséges emberi szem távolpontja a végtelenben van, míg a közelpont helyzete kb. 20 cm távolságra van egy 20 éves életkorú egyén számára. Ez a távolság az öregedéssel változik és 50 éves korban kb. 40 cm távolságra van a szemlencsétől. Az akkomodáció képességének csökkenése (presbyopia) a szemlencse rugalmasságának fokozatos rosszabodásának tulajdonítható. A hosszantartó alkalmazkodás fáradásérzetet alakít ki a megfigyelőben a közeli pontok erőltetett megfigyelése következtében. Azt a δ ≅ 25 cm távolságot, amelyen megerőltetés hiányában végezhetünk megfigyelést, tisztalátás távolságának nevezzük. Az emberi szem éleslátásának feltétele, hogy különböző szemhibáktól mentes szemmel rendelkezzen. A látásélesség romlását okozó tényezők között megemlítjük a rövidlátás (myopia) jelenségét. Ez akkor jelentkezik, amikor a végtelenből érkező fénysugarak a retina előtt egyesülnek. Ahhoz, hogy a kép a retinán keletkezzen, a fénynek a szembe divergens nyaláb formájában kell bejutnia. Ezt egy divergens szórólencse használatával tudjuk megvalósítani (3. ábra).
3. ábra. Divergens negatív törőképességű szeműveglencse által korrigált látás
A távollátás (hypermetropia) jelensége akkor mutatkozik, amikor a végtelenből érkező fénysugarak a szem retinája mögött egyesülnek. Ennek a látáshibának javítása érdekében a szemgolyó elé helyezett pozitív törőképességű gyűjtőlencsét kell használni, amely következtében a kép a retinára vetítődik.
4. ábra. Konvergens pozitív törőképességű szemüveglencse által korrigált látás
A szem mint képalkotó eszköz ugyanazokat a képalkotási hibákat mutatja mint bármely asztigmiás optikai eszköz. Az asztigmatizmus eredete annak tulajdonítható, hogy a törőfelületek nem tökéletes gömbfelületek és a görbületi sugár a különböző irányokban
változik. Ennek következménye, hogy a szem torzulva mutatja a tárgynak a képét, a pontszerű tárgyról nem ad ugyancsak pontszerű képet. Ezt az optikai hibát (astigmia) henger- és gömbfelszínek által határolt lencsék kombinációjával lehet javítani. A szem legfontosabb optikai eleme a szemlencse, amely egy kétszeresen domború lencse feladatát látja el. A pupilla nyílásán bejutó fényfluxust a szemlencse a retinára vetíti. A fény energiáját kémiai és elektromos energiává alakító fényérzékelő sejtek: a pálcikák és csapok. A retina elektronmikroszkópos felvételén azonosíthatjuk a pálcikasejteket és a közöttük levő csapsejteket ( 5. ábra). A pálcikák külső szegmense henger alakú, míg a jóval kisebb méretű csapoké általában kúpszerűen elkeskenyedik.
5. ábra. A szem retinájáról készült elektronmikroszkópos felvétel: a hengeres pálcikasejtek és a köztük elhelyezkedő kúpszerű csapsejtek alkotják a retina fényérzékelő egységeit, amelyek az agy számára komplex információkat küldenek
Míg a csapok csak bizonyos megvilágítási küszöb fölött lépnek működésbe (nappali megvilágításra), ezért a színek megkülönböztetésére alkalmas információt ezek tudják továbbítani. A pálcikák érzékenysége jóval nagyobb ezért a gyenge megvilágításra is ingerületet eredményeznek és lehetővé teszik a szürkületi látás folyamatát. Ezek viszont csak a fényt érzékelik, nem képesek a színek megkülönböztetésére. A sárgafolt közepén a kb. 1,5 mm átmérőjű területén (fovea centralis) csak csapokat találunk, amelyek száma a látómező szélei felé rohamosan csökken. A pálcikák a fovea szélén jelennek meg és számuk az optikai tengellyel alkotott kb. 20 fokos szögtartományban a legnagyobb. Az egészséges emberi szem csak azokat a tárgypontokat képes megkülönböztetni, amelyektől érkező látósugarak közötti szögtávolság (látószög) nem kevesebb mint ε=1′=3⋅10-4 radián. Szemünkhöz minél közelebb hozható egy tárgy, annál nagyobb lesz a látószöge. Mivel a szem tisztalátási távolsága δ≈25 cm (azon távolság amelynél a tárgy, illetve a kép szemlélése alkalmazkodás/akkomodáció nélkül lehetséges), a szabad szemmel még felismerhető tárgyak lineáris mérete nem lehet kisebb mint kb. d≈75 μm. Az emberi szem optikai feloldóképessége korlátozva van, mivel a retinán kialakuló képpontok távolsága egymástól kb. 4,5 mikrométer, amely nagyjából megegyezik a csapok átmérőjével. A szem optikai feloldási határát megadó kifejezésre felírhatjuk az alábbi összefüggést:
d=
λ
n ⋅ sin θ amely kifejezésben λ jelenti a sugárzás hullámhosszát, n a közeg törésmutatóját (levegő esetében n=1), θ annak a nyílásszögnek a fele, amely alatt a pupilla látszik a tárgypont helyéről. A fenti összefüggés szerint kiszámított feloldási határ kb. 50 mikrométert jelent. A szem mint receptorelem nem egyenlően érzékeny a különböző hullámhosszakra, legnagyobb érzékenységet λ= 555 nm zöld színű sugárzásnál mutat (1nm=10-9 m). Az emberi szem színérzékenysége a látást kb. 390 nm ….760 nm hullámhosszak közötti tartományra határolja be. Az 6. ábrán feltüntetett folytonos eloszlású színes sávok rendszere alkotja az emberi szem látásérzékenységének megfelelő látható színképet.
6. ábra. A folytonos eloszlású színkép (optikai spektrum) jellegzetes ábráján az egyes sávokhoz tartozó hullámhosszak nanométer egységben vannak megadva: a kis hullámhosszal jellemzett ibolya, illetve a nagy hullámhosszal jellemzett vörös közti folytonos sugárzás alkotja az emberi szem látásérzékenységének megfelelő látható színképet
Az egészséges emberi szem a természetes fény színképtartományának hét alapszínét eltérő érzékenységgel látja, legnagyobb érzékenységet a λ0 = 555 nm hullámhosszhoz tartozó zöld színnel szemben tanusít (7. ábra).
7. ábra. Az emberi szem relatív spektrális érzékenyégi görbéi: illetve V ′(λ ) szürkületi látás esetén
V (λ ) nappali,
A természetes fény spektrumában hagyományosan a következő színeket különböztetjük meg: Szín
vörös
narancs
sárga
zöld
Hullámhossz (nm)
760-647
647-585
585-560
560-492
Világoskék 492-455
sötétkék
ibolya
455-424
424-397
A spektrumot a természetes fényből optikai felbontással nyerhetjük, például a fénydiszperziót létrehozó optikai rács, illetve prizma segítségével (8. ábra).
8. ábra. A látható fény felbontása optikai prizmával
Az emberi szem rendkívül nagyszámú színárnyalatot képes megkülönböztetni. A három alapszín segítségével (alapszínként a vöröset, a zöldet és a kéket választották) a spektrum bármely színe előállítható megfelelően megválasztott mennyiségű komponensek keverése által: X= vV + zZ + kK ahol v, z, k az egyes színek súlyzó együtthatói, amelyek meghatározzák a keverési arányt. Megjegyzendő, hogy a fehér és a fekete nem színek, a fehér az összes szín keveréke, a fekete az összes szín hiányát jelenti. Az emberi szem korlátainak átlépése céljából optikai eszközök egész sora áll rendelkezésünkre, amelyek lehetővé teszik a mikrovilág részleteibe való betekintést. Röviden tekintsük át ezeknek az eszközöknek a legfontosabb tulajdonságait, különös tekintettel ezek gyakorlati felhasználásukra. IX.3. Fontosabb optikai képalkotó eszközök IX.3.1. Lupé vagy egyszerű nagyító
A részletek feltárása érdekében egyszerű nagyítót (lupét) illetve optikai mikroszkópot használhatunk, amelyek a kisméretű tárgyakról látszólagos, nagyított képet állítanak elő (9. ábra). Lupéval szemlélt tárgyak képét a tisztalátás távolságában látjuk, miközben a kép látószögét megnöveljük a közvetlenül élesen nem látható közeli tárgy látószögéhez képest. A lupé nagyítása gyakorlatilag kb. 5….15X-szeres.
9. ábra. Lupé képalkotása: az y vonalas tárgyról egyenes állású, látszólagos és nagyított y’ képet állít elő, amelyet a tisztalátás δ~25 cm távolságából szemlélünk
IX.3.2. A fénymikroszkóp Az optikai mikroszkóp használata lehetővé teszi a tárgyak azon részeleteinek feltárását is, amelyek az emberi szem számára már láthatatlanok. A mikroszkóp (görög eredetű elnevezés, mikrosz=kicsi és szkopein=megfigyelni) összetett nagyítóként működik, mivel szemünk a tárgynak az objektív által alkotott képéről még egy lencserendszer, az okulár által alkotott képét látja. A látható fénnyel működő mikroszkóp nem képes a 0,2 μm -nél kisebb távolságra levő tárgypontok képét különválasztani. Például, ha a mikroszkóp nagyítása 1450X értékű, amely egy jó nagyításnak tekinthető, az egymáshoz viszonyítva 0, 2 μm –es távolságban levő tárgypontok képe a 250 mm nézési távolságból kb. 4 szögperc alatt látszik. A korszerű mikroszkópok magukba sűrítik az optika és a finommechanika legújabb eredményeit. Ezek érzékeny és drága műszerek, amelyekben a mikroszkópi tárgy képének élesre állítása ezredmilliméteres elmozdulási finomságot követel meg. Az optikai mikroszkóp felépítésében megkülönböztetjük a közös fémcsőben (mikroszkóp tubusban) elhelyezett objektív és okulár gyűjtőlencséket. Az objektív és az okulár centrált lencserendszert alkotnak, egymástól viszonylag nagy távolságban elhelyezve. Az objektívlencse és az okulárlencse közötti távolság általában L≈ 160 mm, amelyet mechanikai tubushossznak neveznek. Az objektív (tárgylencse) valójában igen kis gyújtótávolsággal (néhány milliméter és néhány tizedmilliméter nagyságú fúkusztávolsággal) rendelkező összetett konvergens lencserendszer, amely fordított állású nagyított, valós képet állít elő a tárgyról. Az okulár (szemlencse) kisebb konvergenciával rendelkező, nagyobb gyújtótávolságú (néhány centiméter nagyságrendű) lencserendszer, amely egyszerű nagyítóként viselkedik és az objektív által előállított képről látszólagos nagyított képet alkot. Az objektívlencse minősége nagyban meghatározza a mikroszkóp által előállított kép minőségét. Az objektívvel szemben támasztott legfontosabb követelmények, hogy ne mutasson képalkotási hibát (legyen asztigmatizmusra korrigált), legyen akromatikus, numerikus apertúrája legyen nagy. A gyártó arra törekszik, hogy lehetőleg kromatikus és szférikus lencsehibáktól mentesített ún. apokromatikus lencsékkel lássa el a készüléket. Az apokromátok olyan lencserendszerek, amelyeknél a tengelymenti hiba három monokromatikus színre korrigálva van, azaz a képhely e három színre pontosan egybeesik. Ezeknél az objektíveknél a frontális lencse egy sík-domború lencse, amelyet 2…3 darab akromatikus lencsével közös optikai tengelyen helyeznek el (10. ábra).
10. ábra. Apokromatikus objektívlencse
Okulárlencse szerepében gyakran használnak 2 darab sík-domború lencsét. A leggyakrabban használt okulárok a Huygens- és Ramsden-féle okulárok (11. ábra). A tárgy felőli lencsét mezőlencsének, a szem közelében levőt szemlencsének nevezik. Az okulárlencse különböző nagyítási értékét a szemlencse foglalatára felíratozzák, ez lehet 5X, 7X, 10X, 15X, stb.
11. ábra. Okulárlencsék: a.) Huygens-okulár, b.) Ramsden-okulár, c.) Kompenzációs okulár
Az optikai rendszer képalkotásában résztvevő sugárnyalábot fényrekeszek segítségével határolják. Így a képalkotásban az ún. tengelyközeli (idegen szóval paraxiális) tartományban terjedő sugarak vesznek részt, ezáltal csökkentve a szférikus képalkotási hibákat. Rekeszként szerepelnek a lencsefoglalatok és a rendszerbe beépített rekeszek, amelyek meghatározzák a képmező nagyságát. A látómező síkjában lineáris méretmeghatározást végezhetünk, ha az okulárlencse rekesznyílásának síkjában egy ún. okulármikrómétert helyezünk. Ez általában 0,1 mm-es skálabeosztásokkal ellátott síkpárhuzamos korong alakú üveglemez, amelynek képe rávetítődik a látómezőben megjelenő képpel. A tárgyasztalon elhelyezhető objektívmikrométer (beosztásos síkpárhuzamos üveglemez, amelyen általában 0,01 mmes lineáris beosztásos skála található), ugyancsak lehetővé teszi a lineáris méretmeghatározást.
Valódi képet adó optikai készülékek nagyításán a tárgy készüléken át látott képének, illetve a tárgy közvetlen szemlélésekor mutatkozó lineáris méretének hányadosát értjük.
Látszólagos képet adó optikai eszközök (ún. okulár-műszerek, mint pld. a lupé, a mikroszkóp, stb.) nagyításának jellemzésére használt mennyiség a szögnagyítás. A szögnagyítás (idegen szóval grosziszmens) értékét a készülékkel, illetve anélkül szemlélt tárgy látószögei tangensének aránya határozza meg, ha a megfigyelést ugyanabból az ún. “tisztalátás távolságából” végezzük: tgu 2 G= tgu1 A képalkotás könnyebb megértése végett tekintsük a mikroszkópban az objektívet és okulárt egyszerű konvergens lencséknek és kövessük képszerkesztést a 12. ábra szerint. A vonalas kisméretű A1B1 tárgyról az Ob objektívlencse előállít egy valódi, nagyított méretű, fordított állású A2B2 képet, amely az okulárlencse előtt annak gyújtósíkján belül helyezkedik el, viszonylag közel az okulárlencse F2 gyújtósíkjához. A végső kép akkor látható tisztán a mikroszkóp látómezejében, ha elvégezzük az élesreállítást. Ezt azzal valósítjuk meg, hogy a mikroszkóp képalkotó rendszerét mikrométercsavar segítségével úgy mozdítjuk el az A1B1 tárgyhoz viszonyítva, hogy a keletkezett A3B3 kép a megfigyelő szemének megfelelő közelpont (proximum) illetve távolpont (remotum) közé essen. Mivel akkomodáció nélküli megfigyelést kell elérnünk, a mikroszkópot párhuzamos sugárnyalábnak kell elhagynia, vagyis a létrehozott képnek a végtelenben kell kell lennie. Az objektívlencse képoldali gyújtópontja és az okulárlencse tárgyoldali gyújtópontja közötti távolságot e optikai tubushossznak nevezzük.
12. ábra. Képalkotás az optikai mikroszkópban
A valódi képet adó objektív lineáris nagyítása kifejezhető a lineáris képméret és tárgyméret hányadosaként Mobj=A2B2/A1B1. Az okulárlencse mint egyszerű nagyító erről a köztes képről állítja elő a végső látszólagos, fordított állású nagyított A3B3 képet. A mikroszkóp képalkotásában megvalósított nagyítást az objektív- és az okulárlencserendszer nagyítása határozza meg. Az ún. teljes nagyítás értékét az objektívlencse Mob vonalas nagyítása és az okulárlencse mok lupe nagyításnak szorzata határozza meg. Az objektív foglalatán mindig megadják annak Mob önnagyítását. Az okulár lupenagyítása ugyancsak megtalálható a foglalatán. A cserélhető objektívek 10…100-szoros és az okulárok 5...25-szörös nagyításának megfelelően a teljes nagyítás
50 és 2500 között valtozhat, de ezt kb. 1500-szorosnál nagyobbra nem érdemes növelni a mikroszkóp véges feloldóképessége miatt. Ezekkel az adatokkal a mikroszkóp teljes nagyítása kifejezhető: M mikroszkóp = M objektív ⋅ mokulár
Tubuslencse-rendszerrel ellátott mikroszkópok esetében a teljes nagyítás kifejezését meg kell szorozni a tubuslencse q nagyítási tényezőjével: M mikroszkóp = M objektív ⋅ q ⋅ mokulár ahol q a tubuslencse nagyítási tényezője az adott mikroszkópra jellemző állandó, q ≅ 1,5.
13. ábra. A mikroszkóp elvi és gyakorlati vázlata
Ha a lineáris A1B1 tárgyat szabad szemmel figyeljük a tisztalátás távolságából, a látószög tangensére felírhatjuk: AB tgu1 = 1 1
δ
Ugyanazon tárgyról a készülék által alkotott kép látószögének tangense kifejezhető mint: AB AB tgu 2 = 3 3 ≈ 2 2 δ f2 Egyszerű geometriai megfontolás szerint felírható az alábbi közelítő kifejezés, mivel az objektív által előállított valódi kép az okulár fókuszsíkjának a közvetlen közelében keletkezik: e ⋅δ M = M obj . ⋅ mok . = − f obj . ⋅ f ok . ahol a negatív előjelt a fordított állású képalkotás miatt vezettük be. A kifejezésben szereplő e jelentése az optikai hossz (objektívlencse és az okulárlencse gyújtópontjai közötti távolság), illetve δ a megfigyelés ún. tisztalátás távolsága, amelyből a mikroszkópon át szemlélve látjuk a képet. A mikroszkópban vizsgált tárgyat előkészítő eljárásnak kell alávetni, ezeket preparátumnak nevezik. A vizsgálandó tárgyat a mikroszkóp asztalán helyezzük el, amelynek helyzetét vizszíntes síkban egymásra merőleges XOY irányokban változtathatjuk. A mozgatható asztal segítségével a tárgyat az átvilágító fénynyaláb útjába hozzuk. A tárgy megvilágításához szükséges fényerőt a fényforrásból érkező
fénysugár megfelelő fókuszálásával (kondenzor segítségével), illetve a változtatható rekesznyíláson (íriszrekesz) való fényáteresztés útján valósítjuk meg (13. ábra). A mikroszkópi metszetet tárgylemezre helyezzük beágyazó anyagba vagy anélkül és általában letakarjuk a fedőüveggel. A beágyazóanyag lehet kanadabalzsam vagy más áttetsző közeg, amelyen át a fénysugár áthalad és az objektívlencsébe jut. Minél nagyobb a frontlencse nyílásszöge annál több fény jut az objektívbe és annál világosabb lesz a kép. A mikroszkóp egyik alapvetően fontos jellemző mennyisége a lineáris feloldóképesség. Egy optikai műszernek azt a képességét, hogy két szomszédos különálló, de egymáshoz közel eső tárgyrészlet képét különállónak tudja leképezni, feloldóképességnek nevezzük. A Rayleigh-féle képalkotási elmélet szerint egy aberrációmentes mikroszkópobjektív két egyenlően fényes világos inkoherens pont képét akkor bontja fel, ha ezek d távolsága nem kisebb, mint : 1,22 ⋅ λ d= 2 ⋅ n ⋅ sin u A kifejezésben szereplő λ a megvilágító fény hullámhosszát jelenti, gyakorlati számolás céljából ezt a látható színkép zöld színű sugárzásának hullámhosszával helyetesítjük λ=0.55 μm. A kifejezésben szereplő n.sinu=A az objektív ún. numerikus apertúrája, ahol n jelenti a lencse és a tárgy közötti tartományt kitöltő átlátszó optikai közeg törésmutatóját, u a belépő rekesznyílás látószögének félértéke. Ez utóbbi gyakorlatilag egybeesik annak a szögnek felével, amely alatt a tárgypontból látható az objektívlencse frontális felülete. Amint látható a fenti kifejezésből, a felbontóképesség növelése céljából az n törésmutató értékét lehetőleg növeljük azáltal, hogy a frontális objektívlencse és a tárgy közötti tartományt olyan folyadékkal töltjük ki, amelynek n optikai törésmutatója nagyobb mint a levegő nl=1 törésmutatója. Ha a tárgy és objektívlencse közötti közeg levegő n=1, az ún. szárazlencse esetében a numerikus apertúra maximális értéke elméletileg elérheti az A=1 értéket, ha u=90o-ig növekedne. Mivel az u=900 nem valósítható meg, ezért immerziós folyadékot használnak, például glicerint n=1,47, cédrusolajat n=1,51, monobromnaphtalént 1,658, stb. Minél nagyobb az immerziós folyadék törésmutatója, annál nagyobb az objektívbe jutó fényáram, azaz nagyobb az objektív numerikus apertúrája.
14. ábra. A numerikus apertúra értelmezése: 1 tárgylemez, 2 fedőlemez, 3 közeg a tárgy és az objektívlencse között, 4 frontális objektívlencse
Az optikai mikroszkóp feloldóképességét és nagyítását az elektronmikroszkóp segítségével tovább növelhetjük, amelyben a fénysugarak szerepét az elektronsugarak
veszik át. Ezáltal több százezerszeres nagyítást és ezerszer jobb feloldóképességet lehet elérni, mint a fénymikroszkópnál. Az optikai mikroszkóp és az elektronmikroszkóp közötti elvi hasonlóságot a 15. ábra mutatja. Mindkét optikai rendszer szigorú centrálást igényel, amely az egyes optikai/optoelektronikai elemek pontos beállítását feltételezi. Ez vonatkozik a megvilágító rendszerre, a képalkotó és vetítőrendszerre egyaránt.
15. ábra. Az optikai mikroszkóp és az elektronmikroszkóp elvi összehasonlítása: mindkét eszközben megtaláljuk a sugárforrást, a vetítőrendszert és a képalkotó, illetve képfelfogó rendszert
