Для чего нужны микроскопы

Что такое микроскоп и зачем он нужен?

Что такое микроскоп и зачем он нужен? Микроскоп – это прибор который увеличивает изображения предметов с помощью линз. Первые сведения о микроскопе известны ещё в 16 веке, когда мастера по изготовлению очков из Голландии придумали наряду с телескопом новое устройство, способное увеличивать предметы благодаря двум линзам.

Со временем микроскопы постоянно усовершенствовались. Появилось более мощное увеличение, позволяющее разглядеть мельчайшие вещи, которые нельзя увидеть невооружённым глазом. Кроме обычных оптических микроскопов на принципе увеличения линз, существуют электронные микроскопы. Их изобрели в 20 веке. Вместо светового потока на объект изучения направляется пучок электронов, которые фокусируются и при помощи специальной магнитной линзы выдают изображение. Электронный микроскоп мощнее оптического, поскольку может больше увеличивать изображение объекта.

Микроскоп нужен для изучения мельчайших деталей, фрагментов тел человека и животных, которые сложно увидеть невооружённым глазом. Микроскопом пользуются врачи, изучая образцы ДНК и анализы крови. Учёные из разных сфер науки, проводят опыты и делают новые открытия. Инженеры проверяют с помощью микроскопа качество деталей на наличие в них дефекта.

Школьники и студенты пользуются микроскопами на уроках биологии, химии и физики. Интересно рассматривать при микроскопом поверхности некоторых предметов, а также насекомых, например муху или муравья. При большом увеличении можно хорошо разглядеть их глаза, челюсти и лапки.

Благодаря микроскопам учёные смогли узнать о существовании простейших одноклеточных организмах, таких как инфузория-туфелька, а также разных бактериях.

Источник

Микроскоп

Наверняка многие слышали о таком предмете, как микроскоп. А некоторые даже знакомы с ним не понаслышке. Однако мало кто представляет что существует разное количество видов данного устройства, предназначенных для различных функций. Что же такое микроскоп и микроскопия? Какие виды микроскопов существуют и что позволяют делать? Ответы на эти вопросы можно найти в предложенной статье.

История возникновения

Микроскоп представляет собой прибор, с помощью которого можно значительно увеличить изображение, детально изучить строение и структур рассматриваемого объекта, а также замерить его детали, плохо различимые или вообще невидимые невооруженным глазом.

Методы и технологии, позволяющие использовать данный прибор в практических целях носят название микроскопия.

Самыми первыми изобретенными устройствами были оптические микроскопы. К тому же невозможно с уверенностью сказать о том, кому принадлежат лавры такого изобретения. В 1538 году венецианский врач Джироламо Фракасторо предложил использовать комбинацию из двух линз для достижения наибольшего увеличения. А самые ранние упоминания именно о микроскопе датируются 1590 годом и уходит корнями в голландский город Мидделбург, где работали двое мастеров Иоанн Липперсгей и Захарий Янсен, которые изготавливали очки.

Примерно в 1624 году свой первый составной прибор под названием «оккиолино», что в переводе с итальянского означает «маленький глаз», представил итальянский физик и астроном Галилео Галилей. И только спустя год его товарищ Джованни Фабер предложил называть полученное изобретение микроскопом.

Виды микроскопов

На сегодняшний момент существует множество разновидностей данного прибора. Микроскопы бывают: оптические и электронные, рентгеновские и сканирующие зондовые. Есть также дифференциальный интерференционно-контрастный микроскоп.

Оптические приборы в свою очередь делятся на ближнепольные, конфокальные и двухфотонные лазерные микроскопы. Электронные подразделяются на просвечивающие и растровые устройства. Сканирующие представляют собой совокупность атомно-силовых и туннельных микроскопов, а рентгеновские приборы бывают лазерными, отражательными и проекционными.

Естественной оптической системой является глаз человека. При этом она характеризуется точным разрешением. Нормальное разрешение для обычного глаза составляет примерно 0,2 мм. Это характерно при удалении объекта на расстояние оптимального видения, которое составляет 250 мм. Стоит заметить, что размеры животных и растительных клеток, различных микроорганизмов, деталей структуры металлов и разного рода сплавов, а также мелких кристаллов намного меньше нормального разрешения для человеческого глаза.

Ученые примерно до середины прошлого века использовали в работе только видимое оптическое излучение, диапазоном от четырехсот до семисот нанометров. Иногда применялись приборы с ближним ультрафиолетом. Получается, что оптические микроскопы способны различать вещества с расстоянием между элементами до 0,20 мкм, а это значит, что он может добиться максимального увеличения 2000 крат.

В электронных устройствах для увеличения используется пучок электронов, обладающих волновыми свойствами. При этом электроны достаточно легко можно сфокусировать при помощи электромагнитных линз, потому что они представляют собой заряженные частицы. К тому же электронное изображение не составит труда перевести в видимое.

У электронных устройств разрешающая способность в несколько тысяч раз превышает разрешение светового оптического микроскопа. А в современных приборах она может быть даже менее десяти нанометров.

Сканирующие зондирующие микроскопы – это класс приборов, работа которых основана на сканировании зондом различных поверхностей. Это достаточно новые устройства, изображение на которых получается при помощи фиксирования соприкосновений между поверхностью и зондом. На данный момент в таких устройствах удалось добиться фиксации взаимодействия зонда с некоторыми молекулами и атомами, что выводит сканирующий зондирующий микроскоп на уровень электронных приборов. А в некоторых показателях такие устройства даже превосходят их.

Рентгеновские микроскопы представляют собой прибор, позволяющий исследовать очень малые объекты, величины которых можно сопоставить с длиной рентгеновской волны. Работа такого прибора основана на электромагнитном излучении, имеющим длину волны до одного нанометра. Разрешающая способность рентгеновских устройств намного выше оптических, но ниже электронных микроскопов.

Строение микроскопа

Стандартный оптический прибор имеет в своем строении следующие детали:

Оптическая система такого устройства представляет собой объективы, расположенные на револьверной головке, окуляры и в некоторых случаях призменный блок. При помощи оптической системы как раз и формируется изображение изучаемого образца на сетчатке глаза. Причем это изображение будет перевернутым.

В настоящее время многие детские микроскопы содержат в себе линзу Барлоу, применение которой позволяет добиться плавного увеличения изображения до 1000 крат и выше. Однако качество изображения при этом существенно страдает, что делает использование этой линзы в таких устройствах достаточно сомнительным.

В профессиональных устройствах для изменения увеличения используют только различные комбинации качественных объективов и окуляров. И уж конечно, в таких приборах никогда не будет использовать линза столько сомнительного качества.

Механическая система микроскопа представляет собой штатив, тубус, револьверную головку, механизмы фокусировки и предметный столик.

Для фокусировки изображения применяются механизмы фокусировки. Макрометрический винт применяют в работе с небольшими увеличениями, а микрометрический используется при высоких увеличениях. Стандартные школьные или детские микроскопы обычно комплектуются лишь макрометрическим винтом грубой фокусировки. Для лабораторных исследований в обязательном порядке понадобится и механизм тонкой фокусировки. Оптические устройства могут иметь раздельные механизмы грубой и точной фокусировки, а также содержать в себе коаксиальные винты микро и макрометрической регулировки фокуса.

Фокусировка прибора осуществляется при помощи перемещения предметного столика или тубуса устройства в вертикальной плоскости.

Предметный столик необходим для расположения на нем объекта. Можно выделить несколько их разновидностей:

Более комфортным для работы считается координатный предметный столик, которые позволяет перемещать образец для исследования в горизонтальной плоскости.

Объективы микроскопа располагаются непосредственно на револьверной головке. Ее вращение позволяет выбрать какой-либо из объективов, тем самым меняя увеличение. Профессиональные устройства оснащены как правило съемными объективами, которые вкручиваются в револьверную головку. Дешевые же варианты микроскопов имеют встроенные объективы.

Тубус микроскопа содержит в себе окуляр. В устройствах с тринокулярной или бинокулярной насадкой существует возможность регулировки расстояния между зрачками, а также коррекции диоптрий, что позволяет подстроить микроскоп под индивидуальные особенности каждого наблюдателя. В детских устройствах в тубусе помимо окуляра может находиться также линза Барлоу.

Осветительная система оптического устройства представляет собой диафрагму, конденсор и источник света.

Источник света может быть как внешний, так и встроенный. Стандартный микроскоп обычно включает в себя нижнюю подсветку. В некоторых детских устройствах иногда используют боковую подсветку, но она не несет за собой никакого практического эффекта.

Конденсор и диафрагма используется для регулировки освещения микроскопа. Конденсоры могут быть однолинзовыми, двухлинзовыми или трехлинзовыми. При опускании или поднятии конденсора происходит либо рассеивание, либо конденсирование света, который освещает исследуемый образец.

Диафрагма представлена в двух вариантах: ирисовая, с плавным изменением диаметра, и ступенчатая, состоящая из нескольких отверстий разных диаметров. Соответственно увеличивая или уменьшая диаметр светового отверстия можно ограничить или увеличить поток света, льющегося на образец. Некоторые конденсоры оснащаются фильтродержателем, в который могут вставляться различные светофильтры.

Выводы

Микроскоп – это оптический прибор, позволяющий многократно увеличивать изображение исследуемого предмета, что позволяет изучать вещества, невидимые невооруженным глазом. В настоящий момент существует много различных видов современных устройств, отличающихся между собой разрешительной способностью, что позволяет различать и изучать очень малые предметы.

Источник

Микроскоп. Виды и типы. Устройство и применение. Особенности

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

Микроскоп имеет много разновидностей 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

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

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 магнитного поля. 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.

Источник

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.

Источник