Для чего нужен микроскоп краткий ответ 5 класс
Подборка материала по теме «Микроскоп. Для чего он нужен?» (5-8 классы)
Подборка материала по теме
«Микроскоп. Для чего он нужен?»
Шаронова С.М.
учитель физики, математики
Для чего нужен микроскоп?
Биологический микроскоп LEVENHUK 320
Профессиональный микроскоп, предназначенный для биохимических, патологоанатомических, цитологических, гематологических, урологических, дерматологических, биологических и общеклинических исследований в лабораториях любого медицинского учреждения. Увеличение от 40х до 1600х. Четырехгнездная револьверная головка. Плавная регулировка освещения. Монокулярная насадка.
Микроскопы, применяющиеся на производстве (при пайке микросхем, сборке и обработке мелких деталей, в ювелирном деле), должны обладать достаточно большим полем зрения и плавной регулировкой увеличения. При больших увеличениях уменьшается глубина резкости, что не позволяет четко видеть обрабатываемый предмет, поэтому на производстве пользуются микроскопами с небольшим увеличением и относительно большим полем зрения.
Для детских или школьных биологических исследований подходят простые монокулярные микроскопы с относительно небольшим увеличением, легкие и удобные в работе. Диапазон увеличений таких микроскопов обычно от 40х до 1000х, можно исследовать прозрачные или тонкие объекты в проходящем свете, в светлом поле.
Микроскоп LEVENHUK 3L NG
Микроскоп улучшенной комплектации для начинающих исследователей. Увеличение микроскопа: 64-640x. В комплекте поставки: зеркало, пинцет, коробочка для разведения артемии, микротом, флакон с дрожжами, флакон со смолой для изготовления препаратов, флакон с морской солью, флакон с артемией, чистые предметные стекла, 5 образцов, руководство «Интересный микроскоп. Изучаем Микромир».
Как смотреть в микроскоп
Классификация микроскопов
Методы контраста
Светлое поле
Темное поле
На темном поле выделяется светлый объект. Темнопольная микроскопия основана на способности микроорганизмов сильно рассеивать свет. Для темнопольной микроскопии пользуются обычными объективами и специальными темнопольными конденсорами. У конденсоров темного поля затемнена центральная часть, поэтому объект освещается только косыми боковыми лучами.
На фото: макротрикс, съемка в темном поле, увеличение 200х.
Поляризация
Поляризованный свет нередко позволяет выявлять структуру объектов, лежащую за пределами обычного оптического разрешения. При наблюдении анизотропных объектов (это минералы, угли, некоторые животные и растительные ткани и клетки, искусственные и естественные волокна) используются их поляризационные свойства. В микроскоп помещается поляризатор (перед осветительной системой) и анализатор (после объектива). Поляризатор пропускает к предмету только поляризационный свет с определенными свойствами. В случае, когда сам предмет создает поляризацию, он может изменять плоскость поляризации падающего света, так что видимый образ может порождаться анализатором. При скрещенных поляризаторе и анализаторе в темном поле зрения микроскопа видны темные, светлые или окрашенные анизотропные элементы объекта. Вид этих элементов зависит от положения объекта относительно плоскости поляризации и от величины двойного лучепреломления.
На фото: разложение аспирина в поляризованном свете, увеличение 200х.
Фазовый контраст
На светло-сером фоне наблюдается темно-серый рельефный объект с ярко выраженным контуром. Применяется для исследования неокрашенных прозрачных объектов, в частности, живых клеток. Фазово-контрастное устройство может быть установлено на любом световом микроскопе и состоит из набора объективов со специальными фазовым пластинками, конденсора с поворачивающимся диском. В нем установлены кольцевые диафрагмы, соответствующие фазовым пластинкам в каждом из объективов и вспомогательного микроскопа для настройки фазового контраста.
На фото: хетонат, увеличение 60х.
Флюорисценция
Хоффмановский контраст
Метод косого освещения, повышающий контраст объекта за счет образования градиента оптических фаз. Хоффмановский контраст пoзвoляeт нaблюдaть тpexмepнoe изoбpaжeниe живыx oбpaзцoв в плacтикoвыx чaшкax c выcoкoй чeткocтью, чтo дaeт pacшиpeнныe вoзмoжнocти для peшeния нaучныx и cпeциaльныx мeдицинcкиx зaдaч. За счет использования бoльшиих paбoчих paccтoяний и выcoких чиcлoвых aпepтуp метод позволяет тoчнo oтcлeживaть движeние в пoлe зpeния, нaпpимep, пpи проведении микроманипуляций.
На фото: гидра, увеличение 100х.
Дифференциально-интерференционный контраст
Термины
Хроматические аберраци и вызываются различиями в длинах волн разных цветов. Красный и синий свет, излучаемый одной и той же точкой предмета, сфокусируются в разных точках. Резкий красный образ накладывается на синее пятно или наоборот.
Оптический микроскоп
Современный оптический бинокуляр Nikon Stereo microscope
Оптические микроскопы являются самыми старыми, нередко и самыми простыми из микроскопов.
Цифровых микроскопы имеют видеокамеру с зарядовой связью, которая даёт возможность исследовать образец и получить изображение непосредственно на экране компьютера без применения дорогой оптики, типа окуляров.
Общие сведения
2000 крат. То есть способность различать структуры с расстоянием между точками до
Но это было до 2006 года.
История
Первый микроскоп был создан в 1595 году Захариусом Йансеном.
Устройство оптического микроскопа
Схема микроскопа (середина ХХ века): A) Окуляр, B) Объектив, C) Исследуемый объект, D) Конденсор, E) Предметный столик, F) Осветительное зеркало
Простейший микроскоп содержал лишь одну линзу (в качестве которой когда-то использовались даже капельки воды). Микроскоп Левенгука имел одну линзу, закреплённую в бронзовой пластинке, и винтовой механизм для фиксации исследуемого предмета. Demonstrations by British microscopist have images from such basic instruments.
Компоненты и узлы
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, держатель для светофильтров. В зависимости от назначения, в специализированных микроскопах могут быть использованы дополнительные устройства и системы.
Объективы
Трёхкомпонентный объектив микроскопа (в разрезе): ахромат с численной апертурой 0,65 и увеличением 40 раз
Иммерсия
Может быть сухой и масляной.
б) масляная: используется при работе с мелкими объектами n=1,33.
Окуляры. Система освещения препарата
В первых микроскопах применяли естественные источники света. Для улучшения освещённости применяли зеркало, затем — вогнутое зеркало, с помощью которого на препарат направляли лучи света (солнца, лмпы и др.) В современных микроскопах освещение регулируют с помощью конденсоров.
Конденсор
Предметный столик
Специальные модификации. Микроскопия
Современный оптический микроскоп
Виды оптических микроскопов:
монокулярные микроскопы, недорогие и простые флюоресцентный наноскоп и люминесцентный микроскоп (ультрафиолетовый микроскоп)
В основе наноскопии лежит впервые сформулированный новый метод российского ученого Андрея Климова, позволяющий увеличить разрешение оптических микроскопов на два порядка.
Метод флюоресцентной микроскопии состоит в том, что покрашенные контрастируемыми флуоресцентными красителями образцы просматриваются с разрешениями в границах 1-10 нанометров — откуда и пошло «наноскопия».
Биология. 5 класс
Конспект урока
Урок 4. Увеличительные приборы
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
Лупа, световой микроскоп, окуляр, объектив
Лупа – простейший увеличительный прибор, состоящий из увеличительного стекла, которое для удобства работы вставлено в оправу с ручкой.
Световой микроскоп – сложный оптический прибор для рассматривания предметов с увеличением в десятки, сотни и тысячи раз.
Обязательная и дополнительная литература по теме
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Живые организмы состоят из клеток. Некоторые клетки можно увидеть, а размеры других настолько малы, что их практически не возможно рассмотреть без использования увеличительных приборов. Метод наблюдения требует усилить человеческий глаз для того, чтобы детально рассмотреть внутреннее и внешнее строение живых организмов.
Для изучения строения клеток используют увеличительные приборы.
Лупа – простейший увеличительный прибор. Лупа состоит из увеличительного стекла, которое для удобства работы вставлено в оправу с ручкой. Лупы бывают ручные и штативные.
Ручная лупа может увеличивать рассматриваемый объект от 2 до 20 раз.
Штативная лупа увеличивает объект в 10–20 раз.
С помощью лупы можно рассмотреть форму достаточно крупных клеток, но изучить их строение невозможно.
Световой микроскоп (от греч. макрос – малый и скопео – смотрю) – оптический прибор для рассматривания в увеличенном виде небольших, не различимых простым глазом предметов.
Световой микроскоп состоит из трубки, или тубуса (от лат. тубус – трубка). В верхней части тубуса находится окуляр (от лат. окулус – глаз). Он состоит из оправы и двух увеличительных стёкол. На нижнем конце тубуса находится объектив (от лат. объектум – предмет), состоящий из оправы и нескольких увеличительных стёкол. Тубус прикреплён к штативу и поднимается и опускается с помощью винтов. На штативе находится также предметный столик, в центре которого имеется отверстие и под ним зеркало. Рассматриваемый на предметном стекле объект помещается на предметный столик и закрепляется на нём с помощью зажимов.
Главный принцип работы светового микроскопа заключается в том, что лучи света проходят через прозрачный (или полупрозрачный) объект исследования, который находится на предметном столике, и попадают на систему линз объектива и окуляра, увеличивающих изображение. Современные световые микроскопы способны увеличивать изображение до 3600 раз.
Чтобы узнать, насколько увеличивается изображение при использовании микроскопа, надо умножить число, указанное на окуляре, на число, указанное на используемом объективе.
Разбор типового тренировочного задания:
Тип задания: Установление соответствий между элементами двух множеств
Текст вопроса: Установите соответствие:
§ 6. Устройство увеличительных приборов — Пасечник. 5 класс. Учебник
Вопросы в начале параграфа
1. Какие увеличительные приборы вы знаете?
Очки, лупа, микроскоп, подзорная труба, бинокль, телескоп
2. Для его их применяют?
Данные приборы необходимы для того, чтобы рассматривать предметы, которые сложно рассмотреть невооружённым глазом. Это могут быть либо очень мелкие объекты, либо очень далеко расположенные, например, небесные тела.
Лабораторные работы
Лабораторная работа: Устройство лупы и рассматривание с её помощью клеточного строения растений
1. Рассмотрите ручную лупу. Какие части она имеет? Каково их назначение?
Ручная лупа состоит из трёх частей: ручки, оправы и двояковыпуклого увеличительного стекла.
Ручка нужна для того, чтобы было удобно пользоваться лупой, оправа — для присоединения увеличительного стекла к ручке, а увеличительное стекло (главная составная часть лупы) — для получения увеличенного изображения рассматриваемого предмета.
2. Рассмотрите невооружённым глазом мякоть полуспелого плода томата, арбуза, яблока. Что характерно для их строения?
Если внимательно рассмотреть мякоть томата, арбуза или яблока, то даже невооруженным взглядом можно заметить, что мякоть плодов состоит из мельчайших крупинок — клеток.
3. Рассмотрите кусочки мякоти плодов под лупой. Зарисуйте увиденное в тетрадь, рисунки подпишите. Какую форму имеют клетки мякоти плодов?
Лабораторная работа: Устройство микроскопа и приёмы работы с ним
1. Изучите микроскоп. Найдите тубус, окуляр, объектив, штатив с предметным столиком, зеркало, винты. Выясните, какое значение имеет каждая часть. Определите, во сколько раз микроскоп увеличивает изображение объекта.
Световой микроскоп может увеличивать изображение предметов до 3 600 раз. Для того чтобы узнать какое увеличение позволяет получить тот или иной световой микроскоп, надо перемножить увеличительные возможности окуляра на увеличительные возможности объектива (подписано на соответствующих частях микроскопа).
2. Познакомьтесь с правилами пользования микроскопом.
Правила работы с микроскопом
3. Отработайте последовательность действий при работе с микроскопом.
Вопросы в конце параграфа
1. Какие увеличительные приборы вы знаете?
Ручная лупа, штативная лупа, оптический микроскоп, электронный микроскоп.
2. Что представляет собой лупа и какое увеличение она даёт?
Лупа — это самый простой увеличительный прибор. Она состоит из увеличивающей линзы, оправы и ручки или штатива.
Ручные лупы могут увеличивать предметы в 2 — 20 раз. Штативные лупы обычно мощнее. Они могут увеличивать предметы в 10 — 25 раз.
3. Как устроен микроскоп?
Световой микроскоп состоит из тубуса, окуляра, одного или нескольких объективов, штатива, предметного стола с отверстием, винтов и зеркала.
В тубусе, окуляре и объективах находятся увеличительные линзы. Предметный столик используется для размещения на нем микропрепарата, а зеркало — для направления луча света на исследуемый объект. При помощи винтов можно установить микроскоп в оптимальное для исследования положение. Штатив же удерживает все элементы микроскопа и делает работу на нем удобной.
4. Как узнать, какое увеличение даёт микроскоп?
Для того, чтобы узнать какое увеличение даёт конкретный микроскоп нужно посмотреть на цифры, которые написаны на оправе окуляра и объектива, а затем перемножить эти цифры. Например, на окуляре может быть написано 10х, а на объективе 30х. Тогда наибольшее возможное увеличение, которое может дать данный микроскоп, будет равно 10 • 30 = 3 000 раз. То есть можно будет увеличить рассматриваемый объект в 3 000 раз.
Подумайте
Почему с помощью светового микроскопа нельзя изучать непрозрачные предметы?
Невозможность изучения на световом микроскопе непрозрачных предметов объясняется особенностью конструкции данного типа оборудования.
Как мы знаем, зеркало, отражающее и направляющее световые лучи на изучаемый объект, находится под предметным столом с микропрепаратом. То есть изучаемый объект должен быть подсвечен снизу для того, чтобы мы могли увидеть его структуру.
Если же в качестве микропрепарата используется непрозрачный объект, то световой луч от зеркала не может пробиться сквозь него и в окуляр можно будет увидеть только тёмное пятно.
Задания
Выучите правила работы с микроскопом.
Используя дополнительные источники информации, выясните, какие подробности строения живых организмов позволяют рассмотреть самые современные микроскопы.
С помощью современных микроскопов, например электронных, можно рассмотреть вирусы, бактерии, клетки живых организмов, составные части клеток: вакуоль, ядро, цитоплазму и т.д. Можно понаблюдать за кровяными тельцами, строением растений и их частей и прочими объектами.
Сейчас существуют устройства, которые позволяют увидеть объемное 3-х мерное изображение изучаемого объекта. Называются такие устройства стереомикроскопы. При помощи такого оборудования чаще всего проводится изучение поверхности металла, древесины, пластмассы, минералов и других твёрдых предметов.
Словарик
Клетка — это элементарная единица строения всех живых организмов кроме вирусов.
Лупа — это самый простой увеличительный прибор, который состоит из двояковыпуклого увеличительного стекла, оправы и ручки (или штатива).
Микроскоп — это увеличительный прибор, который работает при помощи оптических линз и способен увеличивать изображение объекта в десятки, сотни или даже в тысячи раз.
Тубус — это деталь микроскопа, в которой расположены увеличительные линзы.
Окуляр — это верхняя часть тубуса микроскопа, состоящая из линзы и оправы и предназначенная для рассматривания изучаемого объекта.
Объектив — это нижняя часть тубуса микроскопа, включающая в себя несколько увеличительных стекл и оправу и предназначенная для дополнительного увеличения изображения объекта.
Штатив — это деталь микроскопа, предназначенная для соединения и удержания остальных деталей этого прибора.
МИКРОСКОП
Полезное
Смотреть что такое «МИКРОСКОП» в других словарях:
микроскоп — микроскоп … Орфографический словарь-справочник
МИКРОСКОП — (от греч. mikros малый и skopeo смотрю), оптический инструмент для изучения малых предметов, недоступных непосредственному рассмотрению невооруженным глазом. Различают простой М., или лупу, и сложный М., или микроскоп в собственном смысле. Лупа… … Большая медицинская энциклопедия
микроскоп — а, м. microscope m.<гр. mikros малый + skopeo смотрю. Оптический прибор с системой сильно увеличивающих стекол для рассматривания предметов или частей их, не видимых вооруженным глазом. БАС 1. Микроскоп, мелкозор. 1790. Кург. // Мальцева 54.… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
МИКРОСКОП — • МИКРОСКОП (Microscopus), небольшое созвездие южного неба. Самая яркая его звезда имеет звездную величину 4,7. • МИКРОСКОП, оптический прибор, позволяющий получить увеличенное изображение мелких предметов. Первый микроскоп был создан в 1668 г.… … Научно-технический энциклопедический словарь
микроскоп — микротекстил, ортоскоп Словарь русских синонимов. микроскоп сущ., кол во синонимов: 11 • биомикроскоп (1) • … Словарь синонимов
МИКРОСКОП — МИКРОСКОП, а, муж. Увеличительный прибор для рассматривания предметов, неразличимых простым глазом. Оптический м. Электронный м. (дающий увеличенное изображение с помощью пучков электронов). Под микроскопом (в микроскоп) рассматривать что н. |… … Толковый словарь Ожегова
МИКРОСКОП — (от греч. mikros малый и skopeo смотрю), оптич. прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), не видимых невооружённым глазом. Различные типы М. предназначаются для обнаружения л изучения бактерий,… … Физическая энциклопедия
МИКРОСКОП — МИКРОСКОП, микроскопа, муж. (от греч. mikros маленький и skopeo смотрю) (физ.). Оптический прибор, с системой сильно увеличивающих стекол, для рассматривания предметов, которые не могут быть видимы невооруженным глазом. Толковый словарь Ушакова.… … Толковый словарь Ушакова
микроскоп — оптический прибор для получения увеличенного изображения объектов, не различимых невооруженным глазом. В микробиол. используется световой и электронный М. Один из основных показателей М. – разрешение – возможность различать два соседних объекта… … Словарь микробиологии
Поговорим о микроскопах
Помнится, в далеком детстве мне подарили микроскоп «Натуралист» – игрушечный, но таки дающий фиксированное увеличение аж в шестьдесят раз. Состоял он из одной трубки, закрепляемой на пластмассовом футляре, одновременно играющим роль основания. Сколько интересных вещей тогда было пересмотрено через окуляр, подсвеченный тусклым зеркальцем – от листьев водорослей до целого таракана…
Рис. 1. Детский микроскоп «Натуралист» (за неимением лучшего — фото с торговой площадки)
С тех пор прошло более тридцати лет, но о детском увлечении я не забыл. И вот однажды под влиянием приступа ностальгии я решил купить себе такую же игрушку, только чуть посовременнее. Но первый же взгляд на соответствующий раздел Интернет-площадки показал: чего-то я в этой жизни не понимаю. От обилия самый разных устройств, описываемых одним и тем же словом «микроскоп», просто рябило в глазах. И вот вместо пары быстрых щелчков мышкой пришлось плотно сесть и разобраться хотя бы в самых азах современной микроскопии. Результаты ниже.
Предупреждение: обзор не претендует на исчерпывающее описание и рассчитан на энтузиастов-любителей, интересующихся предметом для себя или для детей. Статья не содержит никакой теории, связанной с оптикой, ее в избытке хватает в других материалах.
Типы микроскопов
Существует довольно много самых разных задач, в которых необходимо детально рассмотреть мельчайшие детали объектов – от драгоценных камней и монет до внутренностей живой клетки. От того, что и как нам нужно увидеть, сильно зависят и применяемые методы. Оставим сейчас за кадром самые мелкие объекты типа вирусов или молекулярной структуры вещества и сосредоточимся на более крупных предметах размерами от бактерии и выше. Оптические устройства, применяемые для таких задач, делятся на два больших класса: биологические (компаундные) и стереомикроскопы.
Подробно останавливаться на стереомикроскопах не станем. Замечу только, что, вопреки подсознательным ожиданиям от названия, данный класс устройств предназначен не для создания стереокартинок. Стереомикроскопы используются для обследования сравнительно крупных непрозрачных предметов в отраженном свете: микросхем, камней, насекомых и т.п. Они отличаются сравнительно небольшим оптическим увеличением (40-60-80х, хотя наиболее продвинутые могут иметь даже 200х) и часто снабжены встроенными мониторами либо цифровыми интерфейсами. Источник света находится над образцом. Размеры – от карманных устройств до солидных стационарных установок.
Некоторые стереомикроскопы для промышленных целей даже лишены оптического окуляра и предназначены исключительно для подключения к компьютеру/смартфону через USB/WiFi («цифровые микроскопы»). Такие микроскопы сравнительно дешевы. Если надо как следует рассмотреть таракана, бриллиант или распайку элементов на плате, этот тип устройств для вас. Только помните, что супер-увеличения типа 1600х, которые часто можно встретить в описаниях даже самых дешевых устройств, относятся к цифровому увеличению и даже близко не отражают реальное оптическое. Каково оно? А кто его знает, производители до таких деталей не снисходят.
Рис. 2. Aomekie stereo microscope с увеличением 20х/40х (фото производителя)
Биологические микроскопы
Основной класс устройств, на котором мы сконцентрируемся – то, что называется биологическим микроскопом, в английской терминологии «компаундным» (составным, от compound). Он предназначен для рассматривания тонких прозрачных образцов (срезы тканей, бактерии, микроорганизмы и т.п.) в проходящем свете. Образец подготавливается на предметном стекле, умещаемом на рабочей платформе, источник света – внизу, под образцом.
Следует понимать, что под биологический микроскоп того же таракана засунуть сложно: для мощной оптики, где расстояние между линзой и препаратом составляет буквально десятую долю миллиметра, препарат должен быть очень тонким, плоским и прозрачным, специально подготовленным и, возможно, окрашенным. Обычно это капля или тонкая пленка, размещенная между предметным и покровным стеклом. Под маломощный объектив таракан влезет (фокусное расстояние у них от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров). Однако следует озаботиться хорошим внешним источником света и не стоит рассчитывать на высокую глубину резкости: в каждый момент времени вы сможете отчетливо видеть только определенный слой изображения.
Типовой биологический микроскоп состоит из трех частей: механическая платформа (база, предметный столик, устройства наведения и фокусировки), подсветка и оптическая система.
Рис. 3. Микроскоп Celestron (фото производителя)
Механическая платформа
Механическая часть состоит из основания, на которой монтируются все прочие компоненты, и предметного столика, на котором умещается образец. Очень важной частью механики является система, отвечающая за перемещение предметного столика в трех измерениях – именно так образец подводится в точку фокуса неподвижного объектива. Существуют модели, в которых перемещается объектив, но это редкая экзотика. В устройствах начального уровня механика самая примитивная. Подстройка по высоте (фокусировка) есть только грубая (coarse), перемещение образца в плоскости – пальцами.
В более сложных моделях в дополнение к грубой фокусировке появляется тонкая (fine), а также зажим, перемещающий предметное стекло в горизонтальной плоскости (его подвижная сторона имеет характерный вид полумесяца, ее хорошо видно на изображениях устройств). В наиболее простых микроскопах вертикальное перемещение регулируется разными винтами/рукоятками, в более продвинутых они совмещены на одной оси. В микроскопах без тонкой фокусировки есть реальная опасность раздавить как предметное стекло, так и линзу объектива из-за неловкого движения руки.
Материал корпуса – пластик либо металл. Пластик легче, но и хрупче. Обычно он применяется в мобильных моделях, предназначенных для детей либо полевых лабораторий – там, где важно минимизировать вес. Для стационарных микроскопов используется металл: он не только прочнее, но и менее подвержен вибрациям, которые на высоких увеличениях становятся критичными. Вес металлического микроскопа – 3-4 килограмма.
Исторически база микроскопа состояла из неподвижного основания и подвижного кронштейна, позволяющего менять ориентацию микроскопа относительно вертикали. Это было необходимо не только для комфорта работы, но и для получения качественной подсветки. Однако современные микроскопы имеют монолитное основание с фиксированным углом наклона глазных тубусов, что не всегда удобно. Учтите, что от этого угла прямо зависит комфорт вашей шеи во время работы, так что подбирайте устройство с углом, подходящим именно вам.
Рис. 4. AmScope M500 с простейшим предметным столиком без перемещения в плоскости (фото производителя)
Электрические компоненты
Мало подвести образец в точку фокуса, его надо еще и правильно подсветить. Плохая подсветка приведет к слишком темному или, наоборот, пересвеченному неразборчивому изображению, а также к неоднородному освещению поля.
Исторически для подсветки использовалось вогнутое зеркало, расположенное под отверстием в столике. Однако с его помощью сложно добиться качественного равномерного освещения поля зрения, что критично на высоких увеличениях. Также оно накладывает очень серьезные ограничения по размещению микроскопа относительно источника света, а также на сам источник. Такое зеркало сегодня осталось только в самых примитивных устройствах, обычно в полевых либо детских микроскопах, как в показанном в начале статьи «Натуралисте». Иногда, впрочем, оно может поставляться как дополнительная опция, замещающая основной источник света.
Сегодня для подсветки используются разные виды встроенных в основание ламп. До относительно недавнего времени применялись лампы галогенные или накаливания, но они имели свои проблемы. В первую очередь – из-за того, что свет генерировался тонкой нитью, а проецировать его приходилось на круглое поле, что, опять же, создает проблемы с равномерностью. Однако в современных условиях индустрия широко использует LED-источники света, что проблему сняло.
Запитывается подсветка либо от батареек (такие микроскопы особенно хороши для детей, поскольку их можно повсюду таскать с собой), либо проводом от розетки. Если заказываете проводное устройство за рубежом, помните о переходниках для вилки.
Регулировка подсветки выполняется как интенсивностью лампы, так и световым конденсором под рабочим столиком, имеющим диафрагму и линзу для фокусировки света на образце. В недорогих моделях наиболее распространен конденсор Аббе (Abbe condenser) или его модификации, это название можно часто увидеть в описании микроскопа. Для любительских занятий обычно применяется подсветка вида «светлое поле» (в смысле, прозрачные объекты рассматриваются на ярком белом фоне), хотя есть и другие типы: «темное поле», дающее инвертированное изображение, флуоресцентная подсветка и т.п. Конденсор может быть сменным, позволяя получать в одном и том же микроскопе разные типы подсветки.
Попадаются также модели с дополнительной верхней подсветкой, как на картинке ниже (этакий гибрид биологического и стереомикроскопа), но обычно это удел любительских устройств и малых увеличений: мощные объективы, практически втыкающиеся в покровное стекло, попросту заслоняют верхний свет. На практике уже сорокакратный объектив даже при хорошей внешней подсветке почти ничего не видит, а стократный показывает полный мрак.
Обратите, кстати, внимание: микроскоп на картинке не обладает полноценным конденсором, вместо него – только источник света и диафрагма. На столике присутствуют только самые примитивные зажимы-клипсы для предметного стекла, перемещение препарата в плоскости – пальцами.
Рис. 5. Любительский микроскоп Swift SW150 входного уровня с дополнительной верхней подсветкой (фото производителя)
Оптическая система – объективы
Оптическая система состоит из объективов (смотрят непосредственно на образец) и окуляров (eyepiece, прилегают к глазу).
Объективы, непосредственно рассматривающие образец, монтируются на револьверном диске для быстрой их смены. По нынешним временам они имеют четыре типовых диапазона увеличения: 4-5х (сканирующий объектив, обычно служит для грубой наводки на цель), 10-15х (маломощные линзы), 40-60х (высокомощные) и 90-100х и выше (сверхмощные). Объективы с увеличением выше 100х встречается редко и уж точно не в любительских микроскопах.
Первые три типа («сухие») обычно стандартны для всех моделей, даже для детских. Последний тип объективов встречается в более продвинутых моделях и для получения качественного изображения требует специальной техники использования – иммерсионной. Суть в том, что коэффициенты преломления воздуха и стекла разные для разных длин волн (именно на этом основано разложение белого цвета в спектр). Если между образцом и объективом есть воздух, на стократном увеличении проявляется сильная хроматическая аберрация, снижающая резкость вплоть до полной неразборчивости.
Поэтому для сильных (девяностократных и выше) объективов обычно используется техника погружения (иммерсии) передней линзы объектива в специальное масло, имеющее тот же коэффициент преломления, что и стекло. На покровное стекло наносят каплю масла, в которое непосредственно опускается объектив. После исследования масло с линзы смывается. Такие объективы обычно помечаются словом oil. Могут они использоваться и насухо, но добиться высокой резкости в этом случае невозможно. Масло входит в начальный комплект микроскопа с такими объективами, а также может быть куплено отдельно (из натуральных масел идеально подходит кедровое). Масляную иммерсию нельзя использовать с менее мощными объективами, для которых она не упомянута явно.
Что интересно, еще в середине прошлого века иммерсионными были даже объективы 50х, но с тех пор техника заметно продвинулась вперед. Исторически первой иммерсионной жидкостью являлась обычная вода (техника изобретена еще в начале 19 в.), подходящее масло впервые подобрали ближе к концу того же столетия.
Также стократные объективы могут напрямую упираться в покровное стекло препарата. Защита фронтальной линзы обычно выполняется с помощью специальной пружинящей оправы (слово spring в описании объектива). Несколько раз в описаниях также попадалось слово feather вместо spring, хотя найти определение мне так и не удалось. Для любительских исследований такие объективы избыточны как с точки зрения дополнительной немалой цены, так и с точки зрения затрачиваемых усилий. Особой дополнительной ценности в домашних условиях они не представляют.
Рис. 6. Набор ахроматических объективов фирмы OMAX с типичными мощностями 4х, 10х, 40х и 100х (фото производителя). На стократном объективе хорошо видна пружинящая оправа
Оптическая система – окуляры
Сменные окуляры вставляются в тубусы в верхней части микроскопа и имеют свое собственное фиксированное увеличение, например 10х, 16х, 25х. Чем выше увеличение, тем короче окуляр. Очкарикам типа меня надо держать в уме, что, в отличие от фотоаппарата, работа с окуляром микроскопа в очках крайне затруднена: окуляр должен практически прижиматься к глазу. Вынос зрачка (eye relief) у обычных окуляров составляет 7-13 мм, с очками нужны специальные окуляры с высоким выносом (15-20 мм). Однако это особой проблемы не составляет. В любом случае резкость в микроскопе подстраивается под глаз индивидуально. Даже с самой высокой близорукостью в микроскопе можно видеть резкое изображение. Неудобство только в том, что очки все время приходится снимать и надевать.
Окуляры могут быть широкофокусными (помечаются буквами WF, wide focus). Такой окуляр имеет большую ширину поля зрения, что заметно облегчает работу с широкими препаратами.
Также следует упомянуть линзу Барлоу (Barlow lens). Это дополнительная трехслойная линза, помещаемая в тубус оптического прибора перед окуляром и дающая небольшое дополнительное увеличение. Как правило, в комплекте поставки микроскопа можно встретить линзы Барлоу 2х. Это банальный маркетинговый трюк. Дешевые ахроматические стеклянные (или даже, упаси боже, пластиковые) линзы заметно ухудшают качество изображения, а потому при мощном увеличении бессмысленны. При низких же и средних сочетания объектива и окуляра вполне достаточно.
По количеству окуляров микроскопы делятся на классические монокулярные (один окуляр), бинокулярные (два окуляра, чтобы смотреть обеими глазами) и тринокулярные (третий тубус/порт обычно монтируется вертикально и служит для подсоединения фото- или видеокамеры).
Наиболее прост в использовании монокуляр. К нему очень легко привыкнуть, а проблему он создает единственную – сильную нагрузку на один глаз при расслабленном другом. При долгом использовании это может кончиться неприятными последствиями для зрения.
Бинокулярные микроскопы используются для обоих глаз сразу и создают стереоизображение. Они позволяют регулировать расстояние между окулярами для подгонки под свои зрачки. Также один из тубусов бинокуляра содержит регулировку, позволяющую компенсировать разницу в диоптриях между глазами. Следует держать в уме, однако, что создание цельного изображения при использовании бинокуляра гораздо сложнее, чем с монокуляром, к нему следует привыкать. Кроме того, регулировка имеет свои ограничения по расстоянию между зрачками, так что подстройка под ребенка может оказаться невозможна. Детский микроскоп следует брать монокулярный, да и для эпизодических любительских упражнений бинокуляр особо не пригодится.
Тринокулярные устройства выглядят эффектно и удобно, если речь идет о трансляции изображения наружу одновременно с работой. Однако следует учитывать, что не всегда все три порта могут использоваться одновременно. Встречаются решения, в которых, например, приходится выбирать между одним из глазных тубусов и третьим портом.
Рис. 7. Тринокуляр Omax M837ZL с вертикальным портом для камеры (фото производителя)
Оптическая система – заключение
Суммарная мощность биологического микроскопа вычисляется как произведение увеличений окуляра и объектива. Например, с объективом 40х и окуляром 10х общее увеличение составит 400х. Однако следует учитывать, что для стандартных ахроматических линз добиться четкого изображения на сверхмощном увеличении из-за законов оптики практически невозможно. Начиная с определенного момента, линзы будут только увеличивать уже видимые детали, но не добавлять новые. Максимальное эффективное оптическое увеличение составляет примерно 1500х, а то и меньше, в домашних условиях 1000х – практический потолок. Для более высоких разрешений применяются дорогие апохроматические линзы либо электронные микроскопы, что уже совсем другая песня.
Вообще 1000х – много это или мало? Размер золотистого стафилококка – около 1 мкм (1/1000 мм), амебы – 200-600 мкм, одноклеточной водоросли – около 40 мкм. Тысячекратного увеличения вполне хватит, чтобы разглядеть все это с подробностями. Так что не обращайте особого внимания на маркетинговые цифры максимального увеличения 2500-3000х, получаемого тупым перемножением максимальных мощностей объективов и окуляров. Установить вы его установите, только в результате получится как в песне «Сиреневый туман под линзой проплывает…»
При работе с препаратами также важна правильная установка диафрагмы конденсора. Узкая диафрагма повышает контрастность и резкость, но затемняет изображение. Широкая диафрагма пропускает больше света, но может сделать изображение пересвеченным и малоконтрастным, скрывая детали и даже целые объекты. Подбор диафрагмы для каждого препарата выполняется индивидуально.
На картинке ниже обратите внимание на вращающуюся головку микроскопа, позволяющую ориентировать окуляры в нужном направлении. Такая конструкция удобна при работе нескольких человек. Однако подстраивать резкость под свои глаза каждому все равно придется индивидуально.
Рис 8. Бинокулярный микроскоп Motic BA80 (фото производителя). Под столиком в центре хорошо виден конденсор, на столике – месяцевидный зажим для предметного стекла
Оптическая система – сопряжение микроскопа с компьютером
Подключение микроскопа к внешним устройствам, таким как монитор или компьютер, выполняется за счет установки специальной видеокамеры *вместо* окуляра или в выделенный порт тринокуляра. Следует держать в уме, что в этом случае теряется увеличение, даваемое окуляром, остается только увеличение объектива и нерегулируемых линз камеры. В параметрах камер обычно указывается только емкость ее матрицы (3, 5, 10 и более мегапикселей), оптическое увеличение остается тайной за семью печатями. Кроме того, поле зрения камеры существенно уже, чем у человеческого глаза.
Сама по себе камера может не распознаваться стандартными средствами Windows и приложений (и не надо – без микроскопа она полностью слепа), так что производители прилагают к ней специализированный софт. Он позволяет как делать фотографии, так и записывать видео. На рынке есть разные виды камер – от стареньких с разрешением 640х480 до современных с разрешением аж до 20 мегапикселей. Отличаются они также интерфейсами, что влияет на возможности записи видео в первую очередь (получение видеопотока с высоким FPS и разрешением через USB 2.0 будет затруднительно). Также камеры могут подключаться напрямую к монитору или иному устройству через HDMI, иметь WiFi-интерфейс и т.п.
Многие производители предлагают для своих микроскопов также и камеры, но никто не мешает купить камеру от другого вендора. Следует только учитывать, что диаметр тубуса у разных микроскопов может отличаться, так что следует удостовериться, что данная камера подходит для данного тубуса. Ну, или использовать переходники, которые тоже продаются. Стандартный диаметр для окуляра биологического микроскопа – 23,2 мм, стереомикроскопа – 30 и 30,5 мм.
Существуют также относительно дешевые насадки, позволяющие перенаправлять оптический поток из окуляра в объектив камеры смартфона. Плюс такого устройства – сохранение оригинального увеличения, поскольку монтируются они поверх окуляра. Минус – возможности получения и сохранения изображения ограничиваются невеликими возможностями смартфона. Ну, и поле зрения у такой камеры все равно уже, чем у глаза.
Рис. 9. Цифровая камера для микроскопа Puls Life Science DCM-310 (фото производителя)
Цены и производители
Цены на биомикроскопы можно найти самые разные. Те, что позиционируются для детей, попадаются и за 30-40 евро, однако следует помнить о возможных ограничениях типа фиксированного окуляра 10х, не поддерживающего установку камеры, отсутствия конденсора, а то и вообще подсветки, примитивном предметном столике и т.п. В Европе можно купить монокулярные микроскопы с тремя объективами, рассчитанные на энтузиастов и студентов, их ценовая категория – от 100 евро. Камера для микроскопа – от 50 евро (и далее в космос: двадцатимегапиксельная может стоит и семь сотен). Более профессиональные микроскопы – би- и тринокуляры со стократными объективами – стоят от 250 евро. Наконец, многие вендоры предлагают комплекты, специально рассчитанные на детей, студентов и энтузиастов. В них могут входить монокуляр входного уровня, простенькая видеокамера, базовый набор инструментов и предметных стекол и т.п. Цены на такие комплекты начинаются от полутора сотен евро.
К покупке следует обязательно добавить минимум один набор из предметных и покровных стекол (от 8-10 евро – учтите, это расходный материал), а также, по желанию, набор заранее подготовленных препаратов (крылья, ноги, хвосты, листики и подобные нехитрые препараты для вхождения в тему). Ну, а дальше – скальпели, пинцеты, микротомы, чашки Петри, пробирки, препараторские иглы и так далее, и тому подобное в зависимости от ваших увлечений. Также обязательно купите изопропиловый спирт (чем выше концентрация, тем лучше), кисточки, продувки, салфетки из микрофибры и т.п. – оптика имеет свойство пачкаться и пылиться, а даже отдельные пылинки на линзах микроскопа отобьются пятнами на изображении.
Учитывайте также, что цены на одни и те же товары на американском, английском и немецком Амазонах, не говоря уже про eBay, могут очень существенно различаться, так что после выбора модели стоит порыться на разных площадках в поисках цены пониже. Также можно искать микроскопы на Алиэкспрессе. Однако хотя там цены заметно ниже, чем в Европе, цена на доставку оказывается сопоставима с ценой самого микроскопа, что полностью лишает затею смысла.
Какой бренд выбрать? Поскольку оптика для микроскопов критично важна, на этом рынке отметились крупные мировые производители, связанные с оптикой – Олимпус, Цейс, Лейка, Никон и так далее. Однако цены на их устройства даже входного уровня, мягко говоря, не радуют, да и в розницу они могут просто не работать. Так что любителю стоит приглядеться к более демократичным вендорам, таким как Swift, Bresser, Omax или AmScope. Также можно приобрести отдельные объективы и окуляры, в том числе китайского производства (есть неплохие, судя по отзывам), но в этом случае нужно удостовериться что они совместимы с микроскопом. Европейский стандарт, определяющий резьбу и прочие механические и оптические параметры, называется DIN.
Немного практики. Игрушка в реальности
После месяца мучительных раздумий, в которых детское «хочу!» отчаянно боролось с взрослой скупостью и рационализмом, я остановился на бинокуляре Swift 350B. Почему? Ничего особенного: микроскопы Swift при умеренных ценах имеют качество, подходящее даже для лабораторных условий. Плюс на осенней распродаже на английском Амазоне эта модель продавалась всего за 160 фунтов. Чтобы два раза не вставать, вторым компонентом покупки стала трехмегапиксельная камера Swift стоимостью 80 фунтов.
Выглядит комплект поставки микроскопа примерно так:
Четыре объектива (4х, 10х, 40х и 100х) уже установлены в револьверное кольцо, наборы окуляров (10х и 25х) вложены отдельно. Обратите внимание на пустую вертикальную выемку над головкой и два пустых гнезда – упаковка универсальна и рассчитана в том числе на тринокуляры. Шнур/гнездо питания – C13/C14, блок питания встроен в основание. В комплект входит простенький пластиковый чехол а-ля «мешок мусорный обыкновенный».
В сборе и с подключением к ПК выглядит так (на мониторе – транслируемое с микроскопа изображение пчелиной ноги):
Теперь посмотрим, как выглядят образцы с разным увеличением при трансляции с камеры. Начнем с препарата листа флокса (поперечный срез) из продаваемого набора образцов. Использованы объективы 4х, 10х, 40х и 100х (без масла).
(4х)
(10х)
(40х)
(100х)
Как видно, без иммерсии стократный объектив ничего внятного не показывает. Сорокакратный показывает, но из-за малой глубины резкости приходится выбирать, какой слой препарата рассматривать. Поскольку вместо окуляра использована оптика камеры, финальное оптическое увеличение я определить затрудняюсь. Для сравнения: на снимке ниже то, что видит камера сотового телефона через окуляр 25х и объектив 4х (итоговое увеличение 100х). Снималось с рук, поскольку держатель для телефона я не купил, отсюда обрезанность по бокам.
Можно предположить, что камера дает увеличение 20-25х, но какова его часть оптическая, а какова цифровая, определить сложно.
Второй препарат – сделанный самостоятельно. Просто капля воды из кухонной раковины под покровным стеклом без какой-либо подготовки. Объективы те же: 4х, 10х, 40х.
(4х)
(10х)
(40х)
Обратите внимание на радужную кайму по границе капли (дугообразная черная линия на втором и третьем снимках). Если на 4х аберраций не видно никаких, то на 10х уже появляется слабое искажение цветов на границах объектов. На 40х радуга становится настолько заметной, что отчетливо видна даже на снимке камеры и заметно ухудшает резкость. Именно для ликвидации такого эффекта стократные объективы погружают в масло.
Для сравнения: что видит камера смартфона через окуляр при с комбинацией 4х * 25х:
Напоследок пара слов о стеклах. Препарат, помимо наблюдаемого объекта, состоит из толстого предметного стекла и тонкого покровного. Предметное стекло кладется на столик, покровное обращено к окуляру. Следует быть чрезвычайно осторожным при работе с покровными стеклами: при толщине 0,13-0,17 мм они имеют весьма острые грани, несмотря даже на специальную их обработку. При неаккуратном обращении они могут запросто распластать вам палец, а то и сломаться в ране. Ни в коем случае не позволяйте работать с ними малым детям, да и подростков тоже следует проконтролировать на начальном этапе.
По окончании работы с препаратом следует либо как следует очистить и обезжирить стекла. Остатки жира и масла приведут к тому, что капля будет не растекаться по стеклу, а разбиваться на еще более мелкие капли, затрудняя рассмотрение. В лабораториях применяются разные методы обезжиривания, но они небезопасны и требуют специальных химикатов, зачастую ядовитых, и оборудования типа вытяжек. В домашних условиях наиболее простой способ – изопропиловый спирт либо получасовое кипячение на медленном огне в растворе 2-5% растворе пищевой соды (примерно чайная ложна на 100 мл). Грязное покровное стекло, скорее, проще выбросить – оно слишком хрупкое и легко ломается. Да и за предметные стекла тоже особо держаться не стоит – это дешевый расходный материал. Иммерсионные объективы от масла чистятся так же, как и любая другая оптика: изопропиловым спиртом на микрофибре.
На этом введение в основы оптической микроскопии закончены. Успехов в самостоятельном плавании.