Микроскоп - это оптический прибор, предназначенный для изучения малых (микроскопических) объектов, путем замены исследуемого предмета его увеличенным изображением.

Заменяя предмет увеличенным изображением, мы тем самым увеличиваем угол зрения (зрительный угол) на предмет и изображение предмета на сетчатке глаза. Углом зрения называют угол между лучами, идущими от крайних точек к предмета к оптическому центру глаза. Наименьший угол зрения, при котором человеческий глаз еще различает две точки предмета, примерно равен 1′, что соответствует расстоянию между точками, равному 70 мкм, если эти точки находятся на расстоянии наилучшего зрения (25 см; это минимальное расстояние, при котором аккомодация («наводка глаза на резкость») еще осуществляется без напряжения). Размер изображения на сетчатке в этом случае равен 5 мкм, что соответствует засветке двух фоторецепторов, разделенных одним незасвеченным. Если изображение двух точек на сетчатке будет короче 5 мкм, то эти точки не разрешатся, то есть глаз их не различит.

Таким образом, возможность разрешения деталей предмета зависит от размеров его изображения на сетчатке глаза или от угла зрения. Угол зрения можно увеличить, приблизив предмет к глазу, однако это связано с некоторыми ограничениями: 1) в ряде случаев технически невозможно изменить расстояние между предметом и глазом (например, при рассматривании звезд или Солнца); 2) возможности аккомодации глаза ограничены, т.е. предмет невозможно приблизить на расстояние, меньшее расстояния до ближней точки глаза.

В связи с этим для увеличения угла зрения используют оптические приборы: телескопы, лупы, микроскопы.

Устройство биологического микроскопа.

Световой микроскоп состоит из трех частей: оптической, механической и осветительной .

1 - окуляр, 2 - тубус, 3 - тубусодержатель, 4 - винт грубой наводки, 5 - микрометрический винт, 6 - подставка, 7 - зеркало, 8 - конденсор, ирисовая диафрагма и светофильтр, 9 - предметный столик, 10 - револьверное устройство, 11 – объектив.

Соответственно, тубус, тубусодержатель, предметный столик, подставка, винт грубой наводки, микрометрический винт, револьверное устройство относятся к механической части ; источник света, зеркало, конденсор, ирисовая диафрагма и светофиьтр – к осветительной части ; объектив и окуляр – к оптической части.

3. Оптическая система биологического микроскопа.

В простейшем случае оптическая система микроскопа представляет собой комбинацию двух линз: объектива и окуляра . Линза, обращенная к предмету («объекту»), называется объективом . Линза, обращенная к глазу («оку») наблюдателя, называется окуляром . В современных оптических микроскопах объектив и окуляр представляют собой системы линз, образующих центрированную оптическую систему . Это значит, что оптические центры окуляра и объектива лежат на одной прямой, которая называется главной оптической осью .

Прежде чем мы перейдем к анализу хода лучей в микроскопе, вспомним некоторые понятия геометрической оптики:

1) Каждой точке или линии пространства предметов соответствует только одна точка или линия пространства изображений. Эти пары точек или линий называют сопряженными .

2) Луч света, входящий в систему (линзу), параллельно главной оптической оси, после преломления проходит через определенную точку на главной оптической оси, которая называется фокусом линзы. Соответственно, каждая линза имеет два фокуса – передний и задний. Плоскости, проведенные через фокусы перпендикулярно главной оптической оси, называются фокальными . Расстояние от оптического центра линзы до фокуса носит название фокусного расстояния.

3) Лучи света, проходящие через оптический центр линзы, не преломляются.

Микроскоп Гука

Реплика однолинзового микроскопа Левенгука

Невозможно точно определить, кто изобрёл микроскоп. Считается, что голландский мастер очков Ханс Янсен и его сын Захарий Янсен изобрели первый микроскоп в , но это было заявление самого Захария Янсена в середине XVII века . Дата, конечно, не точна, так как оказалось, что Захария родился около г. Другим претендентом на звание изобретателя микроскопа был Галилео Галилей . Он разработал «occhiolino» («оккиолино»), или составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами в г. Галилей представил свой микроскоп публике в Академии деи Линчеи , основанной Федерико Чези в г. Изображение трёх пчел Франческо Стеллути было частью печати Папы Урбана VIII и считается первым опубликованным микроскопическим символом (см. «Stephen Jay Gould, The Lying stones of Marrakech, 2000»). Десятью годами позже Галилея Корнелиус Дреббель изобретает новый тип микроскопа, с двумя выпуклыми линзами. Кристиан Гюйгенс , другой голландец, изобрел простую двухлинзовую систему окуляров в конце 1600-х , которая ахроматически регулировалась и, следовательно, стала огромным шагом вперед в истории развития микроскопов. Окуляры Гюйгенса производятся и по сей день, но им не хватает широты поля обзора, а расположение окуляров неудобно для глаз по сравнению с современными широкообзорными окулярами. В 1665 году англичанин Роберт Гук сконструировал собственный микроскоп и опробовал его на пробке. В результате этого исследования появилось название «клетки». Антон Ван Левенгук ( -) считается первым, кто сумел привлечь к микроскопу внимание биологов, несмотря на то, что простые увеличительные линзы уже производились с 1500-х годов , а увеличительные свойства наполненных водой стеклянных сосудов упоминались ещё древними римлянами (Сенека). Изготовленные вручную, микроскопы Ван Левенгука представляли собой очень небольшие изделия с одной очень сильной линзой. Они были неудобны в использовании, однако позволяли очень детально рассматривать изображения лишь из-за того, что не перенимали недостатков составного микроскопа (несколько линз такого микроскопа удваивали дефекты изображения). Понадобилось около 150 лет развития оптики, чтобы составной микроскоп смог давать такое же качество изображения, как простые микроскопы Левенгука. Так что, хотя Антон Ван Левенгук был великим мастером микроскопа, он не был его изобретателем вопреки широко распространённому мнению.

Недавние достижения

В группе немецкого учёного Штефана Хелля (Stefan Hell) из Института Биофизической Химии научного сообщества Макса Планка (Гёттинген) в сотрудничестве с аргентинским учёным Мариано Босси (Mariano Bossi) в 2006 году был разработан оптический микроскоп под названием Наноскоп, позволяющий преодолевать барьер Аббе и наблюдать объекты размером около 10 нм (а на 2010 год и ещё меньше), оставаясь в диапазоне видимого излучения, получая при этом высококачественные трёхмерные изображения объектов, ранее недоступных для обычной световой и конфокальной микроскопии.

Применение

Устройство микроскопа

Оптическая система микроскопа состоит из основных элементов - объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик. Увеличение оптического микроскопа без дополнительных линз между объективом и окуляром равно произведению их увеличений .

В современном микроскопе практически всегда есть осветительная система (в частности, конденсор с ирисовой диафрагмой), макро- и микро- винты для настройки резкости, система управления положением конденсора.

В зависимости от назначения, в специализированных микроскопах могут быть использованы дополнительные устройства и системы.

Объективы

Объектив микроскопа - микрообъектив представляет собой сложную оптическую систему, образующую увеличенное изображение объекта, и является основной и наиболее ответственной частью микроскопа. Микрообъектив создает действительное перевернутое изображение, которое рассматривается через окуляр

Иммерсия

Иммерсия в микроскопии - это введение между объективом микроскопа и рассматриваемым в нём предметом жидкости для усиления яркости и расширения пределов увеличения изображения .

Окуляры

Окуляры микроскопа Альтами 136

Окуля́р - обращённая к глазу часть микроскопа, предназначаемая для рассматривания с некоторым увеличением оптического изображения, даваемого объективом микроскопа.

Система освещения препарата

Система освещения с конденсором

В первых микроскопах исследователи вынуждены были пользоваться естественными источниками света. Для улучшения освещённости стали использовать зеркало, а затем - и вогнутое зеркало, с помощью которого на препарат направляли лучи солнца или лампы. В современных микроскопах освещение регулируют с помощью конденсора.

Конденсор

Конденсор тёмного поля

Конденсоры темного поля применяются в темнопольной оптической микроскопии . Лучи света направляются конденсором таким образом, что они не попадают напрямую во входное отверстие объектива. Изображение формируется светом, рассеивающимся на оптических неоднородностях образца. В ряде случаев метод позволяет исследовать структуру прозрачных объектов без их окрашивания. Разработан ряд конструкций конденсоров темного поля, имеющих линзовую или зеркально-линзовую оптическую схему.

Предметный столик

Предметный столик выполняет роль поверхности, на которой размещают микроскопический препарат. В разных конструкциях микроскопов столик может обеспечить координатное движение препарата в поле зрения объектива, по вертикали и горизонтали, или поворот препарата на заданный угол.

Вспомогательные приспособления

Предметные и покровные стёкла

Первые наблюдения в микроскоп производились непосредственно над каким-либо объектом (птичье перо, снежинки, кристаллы и т. п.). Для удобства наблюдения в проходящем свете, препарат стали размещать на стеклянной пластинке (предметное стекло). Позже препарат стали закреплять тонким покровным стеклом, что позволило создавать коллекции образцов, например, гистологические коллекции. Для исследования методом висячей капли используются предметные стекла с лункой - камеры Ранвье .

Счетные камеры

Для количественного учета клеток, взвешенных в какой-либо жидкости, используют счетные камеры - предметные стекла особой конструкции. В медицине для учета форменных элементов крови применяется камера Горяева .

Классификация

Рабочие лабораторные микроскопы

Бинокулярные микроскопы (микроскопы с бинокулярной насадкой)

Бинокулярный оптические микроскопы позволяет получать 2 изображения объекта, рассматриваемые под небольшим углом, что обеспечивает объёмное восприятие. Общее увеличение (объектив*окуляр) оптических микроскопов с бинокулярной насадкой обычно больше, чем у соответствующих монокулярных микроскопов.

Стереомикроскопы

Исследование с помощью компьютеризованного бинокулярного микроскопа

Учебный стереомикроскоп Альтами ПС II

Оптическая схема современного стереомикроскопа.
A - Объектив B - Галилеевы системы (поворачивающиеся объективы ) C - Регулятор увеличения D - Внутренний объектив E - Призма F - Оборачивающая система линз G - Окулярная сетка H - Окуляр

Стереомикроскопы, как и другие виды оптических микроскопов, позволяют работать как в проходящем, так и в отражённом свете . Обычно они имеют сменные окуляры бинокулярной насадки и один несменный объектив (есть и модели со сменными объективами). Большинство стереомикроскопов дает существенно меньшее увеличение, чем современные оптические микроскопы, однако имеет существенно большее фокусное расстояние, что позволяет рассматривать крупные объекты. Кроме того, в отличие от обычных оптических микроскопов, которые дают, как правило, инвертированное изображение, оптическая система стереомикроскопов не «переворачивает» изображение. Это позволяет широко использовать их для препарирования микроскопических объектов вручную или с использованием микроманипуляторов.

Наиболее широко бинокуляры используются для исследования неоднородностей поверхности твёрдых непрозрачных тел, таких как горные породы, металлы, ткани; в микрохирургии и пр.

Металлографические микроскопы

Специфика металлографического исследования заключается в необходимости наблюдать структуру поверхности непрозрачных тел. Поэтому микроскоп построен по схеме отраженного света, где имеется специальный осветитель установленный со стороны объектива. Система призм и зеркал направляет свет на объект, далее свет отражается от не прозрачного объекта и направляется обратно в объектив. "..

Современные прямые металлургические микроскопы характеризуются большим расстоянием между поверхностью столика и объективами и большим вертикальным ходом столика, что позволяет работать с крупными образцами. Максимальное расстояние может достигать десятки сантиметров . Но обычно в материаловедении используются инвертированные микроскопы, как не имеющие ограничения на размер образца (только на вес) и не требующие параллельности опорной и рабочей граней образца (в этом случае они совпадают).

Поляризационные микроскопы

В основе принципа действия поляризационных микроскопов лежит получение изображения исследуемого объекта при его облучении поляризованными лучами, которые в свою очередь должны быть получены из обычного света с помощью специального прибора - поляризатора. В сущности при прохождении поляризованного света через вещество либо отраженное от него меняет плоскость поляризации света в результате чего на втором поляризационном фильтре выявляется в виде излишнего затемнения. Либо дают специфичные реакции как двойное лучепреломление в жирах.

Предназначены для формирования увеличенных двухмерных изображений, снятых в последовательно расположенных вдоль оптической оси фокальных плоскостях образца, что обеспечивает возможность двух- и трёхмерного исследования мелких структурных деталей образца. Оптические компоненты смонтированы на прочном эргономичном основании, что обеспечивает возможность быстрой замены, точного центрирования и тщательной юстировки оптически взаимосвязанных узлов. Вместе, оптические и механические компоненты микроскопа, включая образец, помещённый между предметным и покровным стеклом, образуют оптическую систему, центральная ось которой проходит через основание и штатив микроскопа.

Оптическая система микроскопа обычно состоит из осветителя (включая источник света и собирающую линзу), конденсора, образца, объектива, окуляра и фотоприёмника, который может являться либо камерой , либо глазом наблюдателя. Исследовательские микроскопы также содержат устройство (предварительной) обработки светового пучка, обычно расположенное между осветителем и конденсором, и дополнительный фотоприёмник или светофильтры, вставленные между объективом и окуляром или камерой. Согласованная работа фотоприёмника и устройств(а) предварительной обработки пучка обеспечивает изменение контрастности изображения как функции пространственной частоты, фазы, поляризации, поглощения, флуоресценции, внеосевого освещения и/или других свойств образца и параметров режима освещения. Но даже без дополнительных устройств обработки осветительного пучка и фильтрации волн, формирующих изображение, большинство даже базовых микроскопических конфигураций обладают определённой степенью естественной фильтрации.

Введение

Современные сложные микроскопы предназначены для формирования увеличенных двухмерных изображений снятых в последовательно расположенных вдоль оптической оси фокальных плоскостях образца что обеспечивает возможность двух и трёхмерного исследования мелких структурных деталей образца.

Большинство микроскопов оснащено механизмом перемещения предметного столика, позволяющим микроскописту точно располагать, ориентировать и фокусировать образец для оптимизации наблюдения и формирования изображений. Интенсивность освещения и ход лучей в микроскопе контролируются и управляются посредством размещения диафрагм, зеркал, призм, светоделителей и других оптических элементов в определенные положения, за счет чего достигается необходимая яркость и контрастность образца.

На рисунке 1 представлен микроскоп Nikon Eclipse E600, с тринокулярным тубусом и цифровой камерой DXM-1200 для регистрации изображений. Освещение производится расположенной в ламповом блоке галогенной лампой с вольфрамовой нитью, свет от которой сначала проходит через собирающую линзу, а потом попадает в оптический путь в основании микроскопа. Испущенный лампой накаливания пучок света модифицируется серией фильтров, расположенных также в основании микроскопа, после чего, отражённый от зеркала, он через полевую диафрагму падает на конденсор. Световой конус, формируемый конденсором, освещает образец, расположенный на предметном столике микроскопа, и попадает в объектив. После объектива световой пучок расщепляется светоделителем/блоком призм и направляется либо в окуляр, где формируется мнимое изображение, либо на проекционную линзу тринокулярного промежуточного тубуса для формирования цифрового изображения на фотодиодной матрице ПЗС цифровой системы регистрации и визуализации изображений.

Оптические компоненты современных микроскопов смонтированы на прочном эргономичном основании, что обеспечивает возможность быстрой замены, точного центрирования и тщательной юстировки оптически взаимосвязанных узлов. Вместе, оптические и механические компоненты микроскопа, включая образец, помещённый между предметным и покровным стеклом, образуют оптическую систему, центральная ось которой проходит через основание и штатив микроскопа.

Оптическая система микроскопа обычно состоит из осветителя (включая источник света и собирающую линзу), конденсора, образца, объектива, окуляра и фотоприёмника, который может являться либо камерой, либо глазом наблюдателя (таблица 1).
Исследовательские микроскопы также содержат устройство предварительной обработки светового пучка, обычно расположенное между осветителем и конденсором, и дополнительный фотоприёмник или светофильтры, размещаемые между объективом и окуляром или камерой. Согласованная работа фотоприёмника и устройств(а) предварительной обработки пучка обеспечивает изменение контрастности изображения как функции пространственной частоты, фазы, поляризации, поглощения, флуоресценции, внеосевого освещения и/или других свойств образца и параметров режима освещения. Но даже без дополнительных устройств обработки осветительного пучка и фильтрации волн, формирующих изображение, большинство базовых микроскопических конфигураций обладают определённой степенью естественной фильтрации.

Таблица 1. Компоненты оптической системы микроскопа.

Компонент микроскопа	Элементы и характеристики
Осветитель	Источник света, собирающая линза, полевая диафрагма, тепловые фильтры, выравнивающие светофильтры, рассеиватель, нейтральные светофильтры
Устройство предварительной обработки пучка	Ирисовая диафрагма конденсора, темнопольная диафрагма, теневая маска, фазовые кольца, внеосевая щелевая диафрагма, призма Номарского, флуоресцентный фильтр возбуждения
Конденсор	Числовая апертура, фокусное расстояние, аберрации, пропускание света, иммерсионная среда, рабочее расстояние
Образец	Толщина предметного стекла, толщина покровного стекла, иммерсионная среда, поглощение, пропускание, дифракция, флуоресценция, запаздывание, двойное лучепреломление
Объектив	Увеличение, числовая апертура, фокусное расстояние, иммерсионная среда, аберрации, пропускание света, оптическая передаточная функция, рабочее расстояние
Фильтр изображения	Компенсатор, анализатор, призма Номарского, ирисовая диафрагма объектива, фазовая пластина, SSEE фильтр, модуляционная пластина, пропускание света, селекция длин волн, флуоресцентный запирающий фильтр
Окуляр	Увеличение, аберрации, размер поля, вынос глаза
Детектор	Человеческий глаз, фотоэмульсия, фотоумножитель, фотодиодная матрица, видеокамера

В то время как одни оптические компоненты микроскопа выступают в роли элементов, формирующих изображение, другие предназначены для различных модификаций освещающего пучка, а также выполняют фильтрующие и передающие функции. Формирующими изображение компонентами оптической системы микроскопа являются собирающая линза (расположенная в осветителе или рядом с ним), конденсор, объектив, окулярный тубус (или окуляр) и преломляющие элементы человеческого глаза или линза камеры. Хотя некоторые из этих компонентов обычно не относятся к формирующим изображение, их характеристики имеют первостепенное значение в определении качества конечного микроскопического изображения.

Ход световых волн через идеальную линзу

Понимание роли отдельных линз, составляющих компоненты оптической системы, является основополагающим для понимания процесса формирования изображения в микроскопе. Простейшим, формирующим изображение элементом является идеальная линза (рисунок 2) – идеально скорректированная, свободная от аберраций и собирающая свет в одну точку. Параллельный, параксиальный пучок света, преломляясь в собирающей линзе, фоку сируется в её фокальной точке или фокусе (на рисунке 2 она обозначена надписью Фокус ).Такие линзы часто называют положительными , поскольку они способствуют более быстрому схождению конвергентного (сходящегося) светового пучка и замедляют расхождение расходящегося пучка. Свет от точечного источника, расположенного в фокальной точке линзы, выходит из неё параллельным, параксиальным пучком (направление справа налево на рисунке 2). Расстояние между линзой и её фокус ом называется фокусным расстоянием линзы (обозначенной буквой f на рисунке 2).

Оптические явления часто описываются в терминах либо квантовой теории, либо волновой оптики, в зависимости от рассматриваемой задачи. При прохождении света через линзу, его волновыми свойствами можно пренебречь и считать, что он распространяется по прямым линиям, обычно называемым лучами. Простых лучевых диаграмм или хода лучей часто бывает достаточно для объяснения многих важных аспектов и понятий микроскопии, включая преломление, фокусное расстояние, увеличение, формирование изображения и диафрагмы. В других случаях, световые волны удобнее рассматривать как состоящие из отдельных частиц (квантов), особенно когда свет создается в результате квантово-механического события или трансформируется в другой вид энергии. В нашем обсуждении проходящие через оптические линзы параксиальные лучи будут рассматриваться в рамках как волновой, так и геометрической (лучевой) оптики (лучевых диаграмм, в которых лучи распространяются слева направо). Параксиальными (или приосевыми) называются световые лучи, проходящие близко к оптической оси; при этом значения углов падения и преломления, выраженные в радианах, можно считать приблизительно равными значениям их синусов.

В параллельном световом пучке отдельные монохроматические волны образуют группу волн , электрические и магнитные векторы в которой колеблются в фазе и образуют волновой фронт ; при этом направление его распространения перпендикулярно направлению колебаний. При прохождении через идеальную линзу плоская волна преобразуется в сферическую, с центром в фокальной точке (Фокусе ) линзы (рисунок 2). Сведённые в фокальной точке световые волны интерферируют, усиливая друг друга. И наоборот, сферический волновой фронт, расходящийся из фокальной точки идеальной линзы, преобразуется ей в плоскую волну (распространение справа налево на рисунке 2). Каждый световой луч плоской волны преломляется в линзе с небольшим отличием от других, поскольку падает на её поверхность под несколько отличным углом. На выходе из линзы направление светового луча также меняется. В реальных системах угол преломления и фокальная точка линзы или группы линз зависит от толщины, геометрии, показателя преломления и дисперсии каждого компонента системы.

Оптический микроскоп широко применяют в научных и промышленных лабораториях, а также в медицине и биологии. В медицине при помощи оптического микроскопа просвечивающего света изучают пленки и тонкие срезы биологических тканей. Нативные препараты смотрят с помощью различных методов контрастирования. Неживые ткани и клетки фиксируют и окрашивают различными красителями, а по цвету и оттенку судят о патологии. Для получения контрастного изображения используют методы темного поля и фазового контраста, а образец иногда подкрашивают. Для геологических исследований минералы полируют до тех нор, пока толщина образца не уменьшится до 50 мкм. После этого их помешают между тонкими предметными стеклами. Для повышения контраста изображения и получения информации об ориентации микрокристаллов часто используется поляризованный свет.

Металлы непрозрачны, поэтому для их исследования необходимо использовать отраженный свет. Оптический микроскоп отраженного света позволяет изучать лишь поверхность металла, структура и оптические свойства которой ответственны за создание контрастного изображения.

Полимеры можно изучать как в отраженном, так и в проходящем свете. Аморфные стеклообразные полимеры чрезвычайно прозрачны, что затрудняет задачу получения контрастного изображения. В отличие от них, кристаллические полимеры изучать при помощи микроскопа проходящего света очень просто. В поляризованном свете микрокристаллы создают контрастное изображение благодаря своей оптической анизотропии. Наполненные композиты с полимерной матрицей можно исследовать в отраженном свете, хотя большое различие механических свойств низкомодульной матрицы и высокомодульного наполнителя усложняет подготовку образца . Кроме того, легкость подготовки образцов и доступность растровых электронных микроскопов повысила интерес к ним. Недостатком растрового электронного микроскопа в сравнении с оптическим является малая чувствительность к степени анизотропии материала. Например, эластомеры (каучукоподобные полимеры) при больших деформациях приобретают молекулярную ориентацию, становятся оптически анизотропными и их удобно изучать при помощи поляризационного оптического микроскопа.

Хотя керамические и полупроводниковые материалы сходны с минералами. обычно их изучают с помощью микроскопа отражающего света несмотря на то, что в некоторых случаях легче приготовить тонкую пластину для микроскопа просвечивающего света. Слабое отражение и сильное поглощение света снижают контраст изображения керамических материалов в отраженном свете, а их химическая стойкость затрудняет поиск травителя для выявления структуры поверхности. Кроме того, присутствие даже малых количеств примеси или допирующих добавок, повышающих проводимость материала, может привести к выпадению микрофаз на границах зерен и изменить поведение образца.

Формирование оптического изображения.

Изображение объекта в оптическом микроскопе формируется при помощи системы стеклянных линз, имеющих более высокий коэффициент (показатель) преломления, чем воздух. Луч света, распространяющийся пол углом к поверхности, на границе раздела двух фаз преломляется, причем направление его распространения в стекле определяется показателем преломления.

В случае двояковыпуклой линзы сферическая форма её передней и задней поверхностей приводит к тому, что параллельный пучок света, падающий на переднюю поверхность, собирается в точку на расстоянии f, которое является характеристикой линзы и называется фокусным расстоянием. Если линза вогнутая (отрицательный радиус кривизны поверхности), параллельный луч за линзой расходится так, как будто он излучается мнимым точечным источником, находящимся перед линзой. Эту точку называют мнимым фокусом, а фокусное расстояние считают отрицательным.

Конструкция оптического микроскопа.

Упрощенная конструкция оптического микроскопа отраженного света приведена на рис. 1. Микроскоп имеет три основные системы - осветительную систему, штатив микроскопа, включающий предметный столик, и систему построения изображения.

Источник света и конденсор.

Осветительная система должна удовлетворять двум противоречивым требованиям. С одной стороны, изучаемая область должна быть равномерно освещена, чтобы все детали микроструктуры находились в одинаковых условиях. С другой стороны, падающий свет нужно сфокусировать так, чтобы отраженный сигнал имел достаточную интенсивность для рассматривания и фотографирования.

Источник света должен быть достаточно ярким. В небольших микроскопах источником света обычно служит нагреваемая током углеродная нить. В более дорогих микроскопах используются ксеноновые разрядные трубки, являющиеся стабильным и мощным источником белого света.

Помимо источника, важным элементом осветительной системы (рис. 1) является конденсор, увеличивающий яркость освещения объекта. Для этого изображение источника фокусируют близко к задней фокальной плоскости объектива, и образец оказывается освещенным почти параллельным пучком. Апертурная диафрагма осветительной системы ограничивает количество света, поступающего от источника и попадающего на образец. Контраст изображения можно повысить, закрывая апертурную диафрагму конденсора. При этом, однако, резко уменьшается яркость изображения, и могут появиться артефакты, связанные с дифракционными явлениями. Вторая диафрагма, называемая полевой, помещается в плоскости изображения объектива (рис. 1). Она расположена в осветительной ветви микроскопа отражающего света, снижает отражение света и устраняет нежелательный световой фон изображения. Размер диафрагмы объектива должен регулироваться в соответствии с размером рассматриваемой области, зависящим от степени увеличения микроскопа. Апертурная и полевая диафрагмы обычно представляют собой ирисовые диафрагмы, диаметр которых можно изменять в широких пределах.

Рисунок 1. Конструкция оптического микроскопа отраженного света.

Во многих микроскопах отраженного света положение осветительной системы с лампой можно установить так, чтобы он начал работать как микроскоп проходящего света. Это очень удобно для исследования тонких образцов биологических тканей, минералов, частично кристаллических полимеров и тонких полупроводниковых пленок.

Предметный столик.

Основным требованием, предъявляемым к штативу микроскопа и предметному столику, является их механическая устойчивость. Если разрешающая способность равна приблизительно 0,3 мкм. стабильность положения образца в плоскости х-y должна быть не хуже этого предела. Дополнительные условия связаны с установкой образца в фокус объектива путем вертикального перемещения (по оси Oz). Точность z-регулировки должна быть выше глубины резкости объектива для самого большого увеличения, а точнее, параметра числовой апертуры NA объектива. Поэтому стабильность положения образца по координате z не менее важна, чем по координатам х и у.

Юстировку микроскопа обычно проводят по всем трем координатам с помощью микрометрических винтов координатного перемещения. При этом механическая свобода системы должны быть сведена к минимуму. «Свободой» называют разницу в положении микрометрического винта при помещении объекта в одну и ту же точку путем движения из противоположных направлений.

Выбор объектива.

В настоящее время имеется широкий выбор объективов. Он зависит от типа образца и способа наблюдения. Основными характеристиками объектива являются числовая апертура NA и увеличение, которое всегда можно найти на его корпусе. Как правило, линзы объектива ахроматизованы и могут работать в широком диапазоне длин световой волны и для изучения цветных деталей микроструктуры.

Одним из характерных применений оптических микроскопов является гистологическое исследование мягких тканей. В этом случае образец должен быть защищен от окружающей среды, для чего тонкий срез ткани помещают на предметное стекло, а сверху накрывают тонким покровным стеклом. Похожие методы используют и для полимеров, особенно аморфно-кристаллических. Толщину образцов можно варьировать, изменяя давление на покровное стекло при приготовлении препарата. Объективы, предназначенные для изучения таких образцов, сконструированы так, чтобы учесть показатель преломления и толщину (0,17 мм) покровного стекла.

Построение и регистрация изображения.

Увеличение объектива не слишком высоко, и поэтому необходимо дальнейшее увеличение построенного им изображения. Для этого есть три возможности. Первая состоит в использовании окуляра и дополнительных линз, помещаемых между объективом и окуляром. Вторая - в фокусировке изображения на светочувствительную фотопленку и его последующем фотоувеличении. Третий способ - это сканирование изображения и демонстрация его на мониторе. В последние годы достигнут значительный прогресс в развитии высококачественных ПЗС-матриц, называемых в оптике гак же ССД-камерами, позволяющих создавать цифровое изображение. При этом отпала необходимость в дополнительных линзах. В настоящее время этот способ записи изображения продолжает интенсивно развиваться.

Литература:

Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля // Издательство: Техносфера.2006. 384 с.

Микроскоп – это устройство, предназначенное для увеличения изображения объектов изучения для просмотра скрытых для невооруженного глаза деталей их структуры. Прибор обеспечивает увеличение в десятки или тысячи раз, что позволяет проводить исследования, которые невозможно получить используя любое другое оборудование или приспособление.

Микроскопы широко применяются в медицине и лабораторных исследованиях. С их помощью проводится инициализация опасных микроорганизмов и вирусов с целью определения метода лечения. Микроскоп является незаменимым и постоянно совершенствуется. Впервые подобие микроскопа было создано в 1538 году итальянским врачом Джироламо Фракасторо, который решил установить последовательно две оптические линзы, подобные тем, что используются в очках, биноклях, подзорных трубах и лупах. Над усовершенствованием микроскопа трудился Галилео Галилей, а также десятки всемирно известных ученых.

Устройство

Существует много разновидностей микроскопов, которые отличаются между собой по устройству. Большинство моделей объединяет похожая конструкция, но с небольшими техническими особенностями.

В подавляющем большинстве случаев микроскопы состоят из стойки, на которой закрепляется 4 главных элемента:

• Объектив.
• Окуляр.
• Осветительная система.
• Предметный столик.

Объектив

Объектив представляет собой сложную оптическую систему, которая состоит из идущих друг за другом стеклянных линз. Объективы сделаны в виде трубок, внутри которых могут быть закреплены до 14 линз. Каждая из них увеличивает изображение, снимая его с поверхности впереди стоящей линзы. Таким образом, если одна увеличит предмет в 2 раза, следующая сделает увеличение данной проекции еще больше и так до тех пор, пока предмет не отобразится на поверхности последний линзы.

Каждая линза имеет свое расстояние для фокусировки. В связи с этим они намертво закреплены в тубусе. Если любая из них будет передвинута ближе или дальше, получить отчетливое увеличение изображения не удастся. В зависимости от особенностей линзы, длина тубуса, в котором заключен объектив, может отличаться. Фактически, чем он выше, тем более увеличенным будет изображение.

Окуляр

Окуляр микроскопа также состоит из линз. Он предназначен для того чтобы оператор, который работает с микроскопом, мог приложить к нему глаз и увидеть увеличенное изображение на объективе. В окуляре имеются две линзы. Первая располагается ближе к глазу и называется глазной, а вторая полевой. С помощью последней осуществляется регулировка увеличенного объективом изображения для его правильной проекции на сетчатку глаза человека. Это необходимо для того, чтобы путем регулировки убрать дефекты восприятия зрения, поскольку у каждого человека фокусировка осуществляется на разном расстоянии. Полевая линза позволяет подстроить микроскоп под данную особенность.

Осветительная система

Чтобы рассмотреть изучаемый предмет необходимо его осветить, поскольку объектив закрывает естественный свет. В результате смотря в окуляр всегда можно видеть только черное или серое изображение. Специально для этого была разработана осветительная система. Она может быть выполнена в виде лампы, светодиода или другого источника света. У самых простых моделей осуществляется прием световых лучей из внешнего источника. Они направляются на предмет изучения с помощью зеркал.

Предметный столик

Последней важной и самой простой в изготовлении деталью микроскопа является предметный столик. На него направлен объектив, поскольку именно на нем закрепляется предмет для изучения. Столик имеет плоскую поверхность, что позволяет фиксировать объект без опаски, что он сдвинется. Даже минимальное передвижение объекта исследований под увеличением будет огромным, поэтому найти изначальную точку, которая исследовалась, заново будет непросто.

Типы микроскопов

За огромную историю существования данного прибора, было разработано несколько значительно отличающихся между собой по принципу действия микроскопов.

Среди самых часто используемых и востребованных типов этого оборудования выделяют такие виды:

• Оптические.
• Электронные.
• Сканирующие зондовые.
• Рентгеновские.

Оптические

Оптический микроскоп является самым бюджетным и простым устройством. Данное оборудование позволяет провести увеличение изображения в 2000 раз. Это довольно большой показатель, который позволяет изучать строение клеток, поверхность ткани, находить дефекты на искусственно созданных предметах и пр. Стоит отметить, что для достижения столь большого увеличения устройство должно быть очень качественно выполненным, поэтому стоит дорого. Подавляющее большинство оптических микроскопов сделано значительно проще и имеют сравнительно небольшое увеличение. Учебные типы микроскопов представлены именно оптическими. Это обусловлено их меньшей стоимостью, а также не слишком большой кратностью увеличения.

Обычно оптический микроскоп имеет несколько объективов, которые закрепляются на стойке подвижными. Каждый из них имеет свою степень увеличения. Рассматривая предмет можно передвинуть объектив в рабочее положение и изучить его под определенной кратностью. При желании еще больше приблизить изображение, нужно просто перейти на еще более увеличивающий объектив. Данные устройства не имеют сверхточной регулировки. К примеру, если необходимо лишь немного приблизить изображение, то перейдя на другой объектив, можно его приблизить в десятки раз, что будет чрезмерно и не позволит правильно воспринять увеличенную картинку и избежать ненужных деталей.

Электронный микроскоп

Электронный является более совершенной конструкцией. Он обеспечивает увеличение изображения как минимум в 20000 раз. Максимальное увеличение подобного прибора возможно в 10 6 раз. Особенность этого оборудования заключается в том, что вместо луча света как у оптических, у них направляется пучок электронов. Получение изображения осуществляется благодаря применению специальных магнитных линз, которые реагируют на движение электронов в колоне прибора. Регулировка направленности пучка осуществляется с помощью . Данные устройства появились в 1931 году. В начале 2000-х годов начали совмещать компьютерное оборудование и электронные микроскопы, что значительно повысило кратность увеличения, диапазон настройки и позволило запечатлеть получаемое изображение.

Электронные устройства при всех своих достоинствах имеют большую цену, и требуют особенных условий для работы. Чтобы получать качественное четкое изображение необходимо, чтобы предмет изучения находился в вакууме. Это связано с тем, что молекулы воздуха рассеивают электроны, что нарушает четкость изображения и не позволяет проводить точную регулировку. В связи с этим данное оборудование применяют в лабораторных условиях. Также важным требованием для использования электронных микроскопов является отсутствие внешних магнитных полей. В связи с этим лаборатории, в которых их используют, имеют очень толстые изолированные стены или находятся в подземных бункерах.

Подобное оборудование используется в медицине, биологии, а также в различных отраслях промышленности.

Сканирующие зондовые микроскопы

Сканирующий зондовый микроскоп позволяет получать изображение с объекта путем его исследования с помощью специального зонда. В результате получается трехмерное изображение, с точными данными характеристики объектов. Данное оборудование имеет высокое разрешение. Это сравнительно новое оборудование, которое создали несколько десятков лет назад. Вместо объектива у данных приборов имеется зонд и система его перемещения. Получаемое из него изображение регистрируется сложной системой и записывается, после чего создается топографическая картина увеличенных объектов. Зонд оснащается чувствительными сенсорами, которые реагируют на движение электронов. Также встречаются зонды, которые работают по оптическому типу путем увеличения благодаря установке линз.

Часто зонды применяют для получения данных о поверхности предметов со сложным рельефом. Зачастую их опускают в трубу, отверстия, а также мелкие тоннели. Единственным условием является соответствие диаметра зонда диаметру объекта изучения.

Для данного метода характерна значительная погрешность измерения, поскольку получаемая в результате 3D картина сложно поддается расшифровке. Присутствует много деталей, которые искажаются компьютером при обработке. Первоначальные данные обрабатываются математическим способом с помощью специализированного программного обеспечения.

Рентгеновские микроскопы

Рентгеновский микроскоп относится к лабораторному оборудованию, применяемому для изучения объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Эффективность увеличения данного устройства находится между оптическими и электронными приборами. На изучаемый объект отправляются рентгеновские лучи, после чего чувствительные датчики реагируют на их преломление. В результате создается картинка поверхности изучаемого объекта. Благодаря тому, что рентгеновские лучи могут проходить сквозь поверхность предмета, подобное оборудование позволяет не только получить данные о структуре объекта, но и его химическом составе.

Рентгеновское оборудование обычно используется для оценки качества тонких покрытий. Его используют в биологии и ботанике, а также для анализа порошковых смесей и металлов.