Поле зрения микроскопа под большим увеличением

Микроскоп предназначен для наблюдения мелких объектов с большим увеличением и с большей разрешающей способностью, чем дает лупа. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей: объектива и окуляра. Объектив микроскопа образует действительное увеличенное обратное изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра. Окуляр действует как лупа и образует мнимое изображение на расстоянии наилучшего видения (рис. 6.4). По отношению ко всему микроскопу рассматриваемый предмет располагается в передней фокальной плоскости.

Рис. 6.4. Оптическая схема микроскопа.

6.2.1. Увеличение микроскопа

Действие микрообъектива характеризуют его линейным увеличением:

где – фокусное расстояние микрообъектива, – расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, называемое оптическим интервалом или оптической длиной тубуса.

Изображение, создаваемое объективом микроскопа в передней фокальной плоскости окуляра рассматривается через окуляр, который действует как лупа с видимым увеличением:

Общее увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива на увеличение окуляра:

Если известно фокусное расстояние всего микроскопа, то его видимое увеличение можно определить так же, как и у лупы:

Как правило, увеличение современных объективов микроскопов стандартизованное и составляет ряд чисел: 10, 20, 40, 60, 90, 100 крат. Увеличения окуляров тоже имеют вполне определенные значения, например 10, 20, 30 крат. Во всех современных микроскопах имеется комплект объективов и окуляров, которые специально рассчитываются и изготавливаются так, что подходят друг к другу, поэтому их можно комбинировать для получения разных увеличений.

6.2.2. Поле зрения микроскопа

Поле зрения микроскопа зависит от углового поля окуляра , в пределах которого получается изображение достаточно хорошего качества:

При данном угловом поле окуляра линейное поле микроскопа в пространстве предметов тем меньше, чем больше его видимое увеличение.

6.2.3. Диаметр выходного зрачка микроскопа

Диаметр выходного зрачка микроскопа вычисляется следующим образом:

где – передняя апертура микроскопа.

Диаметр выходного зрачка микроскопа обычно немного меньше диаметра зрачка глаза (0.5 – 1 мм).

При наблюдении в микроскоп зрачок глаза нужно совмещать с выходным зрачком микроскопа.

6.2.4. Разрешающая способность микроскопа

Одной из важнейших характеристик микроскопа является его разрешающая способность. Согласно дифракционной теории Аббе, линейный предел разрешения микроскопа, то есть минимальное расстояние между точками предмета, которые изображаются как раздельные, зависит от длины волны и числовой апертуры микроскопа:

Предельно достижимую разрешающую способность оптического микроскопа можно сосчитать, исходя из выражения для апертуры микроскопа (). Если учесть, что максимально возможное значение синуса угла – единичное (), то для средней длины волны можно вычислить разрешающую способность микроскопа: .

Из выражения (6.11) следует, что повысить разрешающую способность микроскопа можно двумя способами: либо увеличивая апертуру объектива, либо уменьшая длину волны света, освещающего препарат.

Для того чтобы увеличить апертуру объектива, пространство между рассматриваемым предметом и объективом заполняется так называемой иммерсионной жидкостью – прозрачным веществом с показателем преломления больше единицы. В качестве такой жидкости используют воду (), кедровое масло (), раствор глицерина и другие вещества. Апертуры иммерсионных объективов большого увеличения достигают величины , тогда предельно достижимая разрешающая способность иммерсионного оптического микроскопа составит .

Применение ультрафиолетовых лучей

Для увеличения разрешающей способности микроскопа вторым способом применяются ультрафиолетовые лучи, длина волны которых меньше, чем у видимых лучей. При этом должна быть использована специальная оптика, прозрачная для ультрафиолетового света. Поскольку человеческий глаз не воспринимает ультрафиолетовое излучение, необходимо либо прибегнуть к средствам, преобразующим невидимое ультрафиолетовое изображение в видимое, либо фотографировать изображение в ультрафиолетовых лучах. При длине волны разрешающая способность микроскопа составит .

Кроме повышения разрешающей способности, у метода наблюдения в ультрафиолетовом свете есть и другие преимущества. Обычно живые объекты прозрачны в видимой области спектра, и поэтому перед наблюдением их предварительно окрашивают. Но некоторые объекты (нуклеиновые кислоты, белки) имеют избирательное поглощение в ультрафиолетовой области спектра, благодаря чему они могут быть «видимы» в ультрафиолетовом свете без окрашивания.

6.2.5. Полезное увеличение микроскопа

Глаз наблюдателя сможет воспринимать две точки как раздельные, если угловое расстояние между ними будет не меньше углового предела разрешения глаза. Для того чтобы глаз наблюдателя мог полностью использовать разрешающую способность микроскопа, необходимо иметь соответствующее видимое увеличение.

Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза.

Если две точки в передней фокальной плоскости микроскопа расположены друг от друга на расстоянии , то угловое расстояние между изображениями этих точек . Из выражений (6.11) и (6.8) можно вывести видимое увеличение микроскопа:

Поскольку обычно диаметр выходного зрачка микроскопа около 0.5 – 1 мм, угловой предел разрешения глаза 2´ – 4´. Если взять среднюю длину волны в видимой области спектра (0.5 мкм), то для полезного увеличения микроскопа можно вывести зависимость:

Микроскоп с видимым увеличением меньше 500А не позволяет различать глазом все тонкости структуры предмета, которые изображаются как раздельные данным объективом (). Использование видимого увеличения больше 1000А нецелесообразно, так как разрешающая способность объектива не позволяет полностью использовать разрешающую способность глаза ().

Увеличение системы — важный фактор, в основе которого лежит выбор того или другого микроскопа в зависимости от решения необходимых задач. Все мы привыкли к тому, что проводить контроль полупроводниковых элементов необходимо на инспекционном микроскопе с увеличением 1000 и более крат, изучать насекомых можно, работая с 50 кратным стереомикроскопом, а луковые чешуйки, окрашенные йодом или зеленкой, мы изучали в школе на монокулярном микроскопе, когда понятие увеличения еще не было нам знакомо.

Но как интерпретировать понятие увеличения, когда перед нами находится цифровой или конфокальный микроскоп, а на объективах стоят значения 2000х, 5000х? Что это означает, будет ли 1000 кратное увеличение на оптическом микроскопе давать изображение, аналогичное цифровому 1000 кратному микроскопу? Об этом вы узнаете в этой статье.

Оптическое увеличение системы

Когда мы работаем с лабораторным или стереоскопическим микроскопом, подсчет текущего увеличения системы не составляет труда. Необходимо перемножить увеличение всех оптических компонентов системы. Обычно, в случае стереомикроскопа это объектив, трансфокатор или увеличительный барабан и окуляры.
В случае обычного лабораторного микроскопа дело обстоит еще проще – общее увеличение системы = кратность окуляров умноженная на кратность объектива, установленного в рабочую позицию. Важно помнить, что иногда встречаются специфические модели тубусов микроскопа, имеющие увеличивающий или уменьшающий фактор (особенно распространено для старых моделей микроскопов Leitz). Также, дополнительные оптические компоненты, будь то источник коаксиального освещения в стереомикроскопе или промежуточный адаптер для камеры, располагающийся под тубусом, могут иметь дополнительный фактор увеличения.

Дополнительные оптические компоненты иногда имеют свой фактор увеличения, отличный от 1. В данном случае, коаксиальный осветитель (поз. 2) стереомикроскопа Olympus SZX16 имеет дополнительный увеличивающий фактор 1,5х.

К примеру, стереомикроскоп Olympus SZX-16 с окулярами 10х, объективом 2х, трансфокатором в позиции 8х и блоком коаксиального освещения с фактором 1,5х будет обладать общим оптическим увеличением 10х2х8х1,5 = 240 крат.

Принципиальная схема получения изображения на световом микроскопе. Окуляр увеличивает изображение, построенное объективом и формирует мнимое изображение.

Под оптическим увеличением (Г) в таком случае следует понимать отношение тангенса угла наклона луча, вышедшего из оптической системы в пространство изображений, к тангенсу угла сопряженного ему луча в пространстве предметов. Либо отношение длины, сформированного оптической системой изображения отрезка, перпендикулярного оси оптической системы, к длине самого отрезка

Геометрическое увеличение системы

В случае, когда у системы нет окуляров, а увеличенное изображение формируется камерой на экране монитора, к примеру, как на микроскопе Keyence VHX-5000, следует переходить к термину геометрического увеличения оптической системы.
Геометрическое увеличение микроскопа – отношение линейного размера изображения объекта на мониторе к реальному размеру изучаемого объекта.
Получить значение геометрического увеличения можно перемножив следующие величины: оптическое увеличение объектива, оптическое увеличение адаптера камеры, отношение диагонали монитора к диагонали матрицы камеры.
К примеру, при работе на лабораторном микроскопе с объективом 50х, адаптером камеры 0,5х, камерой 1/2.5” и, выводя изображение на монитор ноутбука 14”, мы получим геометрическое увеличение системы = 50х0,5х(14/0,4) = 875х.
Хотя оптическое увеличение при этом будет равно 500х в случае 10х окуляров.

Цифровые микроскопы, конфокальные профилометры, электронные микроскопы и другие системы, формирующие цифровое изображение объекта на экране монитора оперируют понятием геометрического увеличения. Не стоит путать это понятие с оптическим увеличением.

Разрешение микроскопа

Широко распространено заблуждение, что разрешение микроскопа и его увеличение связаны между собой жесткой связью — чем больше увеличение, тем более мелкие объекты мы сможем в него увидеть. Это не верно. Самым важным фактором всегда остается разрешение оптической системы. Ведь увеличение неразрешенного изображения не даст нам о нем новой информации.

Разрешение микроскопа зависит от числового значения апертуры объектива, а также от длины волны источника освещения. Как вы видите, параметра увеличения системы в этой формуле нет.

где λ — усредненная длина волны источника света, NA – числовая апертура объектива, R — разрешение оптической системы.

При использовании объектива с NA 0,95 на лабораторном микроскопе с галогенным источником (средняя длина волны порядка 500 нм) мы получаем разрешение около 300 нм.

Как видно из принципиальной схемы светового микроскопа, окуляры увеличивают действительное изображение объекта. Если, к примеру, повысить кратность увеличения окуляров в 2 раза (вставить в микроскоп окуляры 20х) — то общее увеличение системы удвоится, но разрешение при этом останется прежним.

Важное замечание

Предположим, что у нас есть два варианта построения простого лабораторного микроскопа. Первый построим, используя объектив 40х NA 0,65 и окуляры 10х. Второй же будет использовать объектив 20х NA 0,4 окуляры 20x.

Увеличение микроскопов в обоих вариантах будет одинаковое = 400х (простое перемножение увеличения объектива и окуляров). А вот разрешение в первом варианте будет выше, чем во втором, так как числовая апертура объектива 40х больше. К тому же не стоит забывать о поле зрения окуляров, у 20х этот параметр на 20-25% ниже.

Поле зрения микроскопа под большим увеличением

Окуляр — Окуляр элемент оптической системы, обращённый к глазу наблюдателя, часть оптического прибора (видоискателя, дальномера, бинокля, микроскопа, телескопа), предназначенная для рассматривания изображения, формируемого объективом или главным… … Википедия

КЛАСС КОЛОВРАТКИ (ROTATORIA) — Коловратками называют своеобразную группу в основном пресноводных микроскопических животных, выделенных в добавочный класс типа Nemathelminthes. Коловратки самые мелкие из многоклеточных животных (от 0, 04 до 2 мм). По своему… … Биологическая энциклопедия

Оптические приборы — I. Из отдельных чечевиц, ахроматизированных и неахроматизированных, комбинируются различнейшие О. системы , из которых вообще рассматриваются лишь центрированные, т. е. такие, у которых О. оси отдельных составляющих чечевиц совпадают. В науке,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

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 — оптический прибор, основанный на преломлении (диоптрический М.) световых лучей и служащий для получения сильно увеличенных действительных или мнимых изображений небольших, не различаемых невооруженным глазом предметов; изображения эти, полученные … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Микроскоп* — оптический прибор, основанный на преломлении (диоптрический М.) световых лучей и служащий для получения сильно увеличенных действительных или мнимых изображений небольших, не различаемых невооруженным глазом предметов; изображения эти, полученные … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

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 — I Микроскоп (от Микро. и греч. skopéo смотрю) оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. Человеческий глаз представляет собой естественную… … Большая советская энциклопедия

Объектив — обращенная к объекту часть оптической системы или самостоятельная оптическая система, формирующая действительное Изображение оптическое объекта. Это изображение либо рассматривают визуально в Окуляр, либо получают на плоской (реже… … Большая советская энциклопедия

Микроскоп (оптич. прибор) — Микроскоп (от микро. и греч. skopéo смотрю), оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую… … Большая советская энциклопедия

Оптический микроскоп — Современный оптический микроскоп Микроскоп (от греч. μικρός малый и … Википедия

Какое увеличение дает микроскоп?

Популяризация исследований микромира в домашних условиях способствует большому притоку новичков, решивших приобщиться к этому занятию и заодно привлечь своих детей. Оставшись с прибором «один на один» многие гадают какое увеличение дает микроскоп. Кажется, что чем оно больше, тем лучше. Но это не так, ибо на практике есть пределы оптики, выше которых «не прыгнешь». Поэтому, если у вас детская модель начального уровня с оптоволокном вместо стекла, то 100-200х-это максимум, на что она способна.

Какое увеличение дает микроскоп можно легко подсчитать по простой формуле. На используемом объективе (они располагаются на револьверной головке над предметным столиком) написаны значения, обычно их три: 4х, 10х и 40х. На окуляре (вставляется в окулярную трубку, в него смотрим) также есть маркировка, например, 16х.

Тогда просто перемножим их кратности! Пример: 40*16=640 крат.

Однако, у несложной математики имеется подвох, которым часто пользуются производители микроскопов-игрушек (то есть не настоящих). Установив на хлипкие пластиковые револьверы очень тонкие по диаметру оптические элементы они добиваются, что теоретически можно получить 900х, а то и 1200х. На деле оказывается, что перед взором предстает мутное пятно, ничего не возможно рассмотреть. Неизбежно наступает разочарование и ставится жирный крест на микроскопии, как интересном и доставляющем удовольствие хобби.

Почему такое происходит? По причине неосведомленности новоиспечённых биологов. Существует термин «полезное увеличение»: оптимальное, качественное. На нем комфортнее всего рассматривать любые образцы: от микропрепаратов до твердых предметов, не пропускающих свет. Оно осуществляется без потери качества картинки, не болят и не устают глаза, не раздражает рябь и засветка. Исследователь чувствует себя комфортно, будто между ним и объектом наблюдения ничего лишнего нет. Именно это надо ставить во главе всего и четко понимать, чем грозят выходы за лимиты полезности. Разве кому-то будет приятно наблюдать инфузорию туфельку, если даже не различить привычных очертаний, которые помним из учебников?

Рекомендации будут такими: для использования подойдет любой микроскоп , который эксплуатируется в школах (ведь не просто так министерство образования позволяет их закупать!) – увеличение до 640х, это достаточно, чтобы с комфортом изучить курс биологии с 7 по 11 классы. Например, самый тоненький человеческий волос будет размером с палец среднестатистического взрослого человека. Перечень доступных для просмотра препаратов солидный: одноклеточные организмы, срезы растений (клетки), жизнь в капле воды. Если есть встроенная верхняя подсветка или настольная лампа, то к списку можно добавить металлические изделия, камни, ткани и т.д. Как вы уже поняли для этого не нужно огромное приближение (тем более бесполезное, с искажениями), а важнее всего позаботиться о том, чтобы сама техника была высококачественной. От этого зависит весь дальнейший путь по таинственным дебрям микробиологии – или вы получите удовлетворение и новые знания, или нет.

Оптический микроскоп.

Каково различие между оптическим телескопом и микроскопом? В телескопе реальное изображение, созданное объективом (с большим фокусным расстоянием), формируется в задней фокальной плоскости. Окуляр телескопа размещают так, чтобы это изображение оказалось в его передней фокальной плоскости, как показано на рис. 12. В отличие от телескопа, объектив микроскопа имеет очень короткое фокусное расстояние. Рассматриваемый объект помещают очень близко к фокусу объектива, чтобы расстояние до изображения было намного больше фокусного расстояния. Промежуточное изображение объекта является реальным и увеличенным. Его рассматривают через окуляр, который повторно увеличивает изображение, как показано на рис. 13.

Есть соблазн увеличивать изображение объекта до бесконечности, добавляя дополнительные линзы. Однако французский учёный Аббе показал, что из-за волнового характера света невозможно различить особенности, расстояние между которыми меньше длины волны. Поэтому использование слишком большого количества линз ведёт к бесполезному увеличению.

Телескопы имеют большой диаметр, поскольку они должны собирать достаточное количество света от удалённых неярких звёзд. Микроскоп же должен иметь максимальное разрешение. В оптическом микроскопе яркость изображения достигается за счёт использования интенсивного источника света. Отражённый (или прошедший) свет собирают при помощи объектива с большим значением числовой апертуры, характеризующей долю собираемого света.

Объектив микроскопа фокусируют на образец, полученное промежуточное изображение рассматривают в окуляр и получают увеличенное реальное изображение (рис. 13). Поскольку яркость изображения обратно пропорциональна квадрату числовой апертуры, она обратно пропорциональна квадрату увеличения. Отметим, что во флуоресцентном микроскопе отражённого света яркость обратно пропорциональна четвёртой степени числовой апертуры.

Увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива и увеличение окуляра:

, (8)

где L – длина тубуса микроскопа (равная расстоянию между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра), l_n – расстояние наилучшего видения, f и f_e – фокусные расстояния объектива и окуляра соответственно.

Если между линзой и образцом находится воздух, максимальное значение величины nsina равно единице, но на практике числовая апертура редко превышает 0,85 (в последнем поколении микроскопов современные технологии позволяют получать числовую апертуру сухого объектива, равную 0,95). В микроскопии часто используют иммерсионные объективы, погружаемые в жидкость (рис. 14). Иммерсионной жидкостью могут служить масло (n = 1,52), глицерин (n = 1,47), дистиллированная вода (n = 1,33) и т.п. Поскольку показатель преломления масла или другой иммерсионной жидкости (и покровного стекла) выше, чем у воздуха, это позволяет увеличить максимальный угол, под которым лучи от точечного источника попадают в объектив. Следовательно, при использовании иммерсии значение апертуры выше, чем в случае воздуха. Максимальные значения апертуры иммерсионных объективов достигают 1,3-1,4 в зависимости от типа иммерсионной жидкости. Объективы микроскопов проходящего света в основном предназначены для работы с покровным стеклом, а объективы микроскопов отражённого света работают без них, и это нужно учитывать при работе.

Яркость изображения определяется количеством попадающего в объектив света, которое пропорционально величине апертуры. Если объектив сфокусирован на определённую плоскость, то особенности объекта, находящиеся в пространстве немного выше и ниже этой плоскости, оказываются не в фокусе. Диапазон расстояния, на котором особенности объекта выглядят достаточно резко, называют глубиной резкости. Таким образом, плоскость объекта можно считать тонким слоем, в котором все точки находятся в фокусе. Глубина резкости h выражается формулой:

, (9)

где n – показатель преломления изучаемого материала.

Глубина резкости различных объективов для длины волны 550 нм приведена в табл. 2.

Глубина резкости различных объективов

Поле зрения, то есть та часть поверхности образца, которая видна в микроскопе, зависит как от объектива, так и от окуляра. Размер изображения может быть ограничен внутренним диаметром тубуса микроскопа (стандартный размер которого равен 23,2 мм), но на практике он обычно ограничивается диаметром окуляра (18 мм). Таким образом, при десятикратном (10´) увеличении микроскопа диаметр поля зрения равен 1,8 мм. Если увеличение микроскопа равно 40´, диаметр поля зрения равен 0,45 мм.

Один из наиболее важных вопросов состоит в том, при каком увеличении микроскопист может увидеть все детали объекта? Ответ на него зависит от разрешающей способности глаза. Невооружённый глаз может различить две точки, если угол между ними не меньше одной минуты. Таким образом, на расстоянии наилучшего видения разрешающая способность глаза равна 100 мкм. Чтобы избежать излишнего напряжения глаза, расстояние между двумя точками должно быть в два-три раза больше. Минимальное увеличение, необходимое для разрешения двух точек, равно отношению разрешающей способности глаза (скажем 300 мкм) к расстоянию между этими точками. Расстояние между двумя точками ограничено длиной волны, и это означает, что оптимальное увеличение находится в интервале от 500´ до 1000´. Если используется большее увеличение, снижается количество разрешаемых деталей, а качество изображения ухудшается, поскольку становится заметной дифракционная размытость. Избыточное увеличение называется бесполезным.

Аберрация.

До сих пор обсуждались идеальные тонкие линзы. В реальных линзах наблюдаются эффекты, снижающие качество изображения. Серьёзным недостатком первых линз была хроматическая аберрация, состоящая в фокусировании волн различной длины (цвета) в различные точки на оптической оси (рис. 15, а). Причиной этого явления является дисперсия, то есть зависимость показателя преломления стекла n от длины волны l. Для борьбы с хроматической аберрацией использовали комбинацию стёкол марок крон и флинт и сделали двойную ахроматическую линзу, изображённую на рис. 15, b. Это снизило хроматическую аберрацию, но не устранило сферической аберрации, состоящей в несовпадении фокусов для лучей, находящихся на различном расстоянии от оси линзы, как показано на рис. 16. Этот эффект можно компенсировать изменением профиля линзы, но обычно для этого используют составные линзы (впервые в 1830 г. Джозеф Листер для устранения этого эффекта использовал комбинацию двух ахроматических линз, расположенных на некотором расстоянии друг от друга).

Для микроскопа большое значение имеет качество осветительной системы, включающей конденсор. Осветительная система должна удовлетворять трём требованиям:

1. Обеспечивать максимальное разрешение и контраст изображения.

2. Просто регулироваться.

3. Поле зрения должно быть равномерно освещено.

Этим требованиям отвечают две схемы осветительной системы. Схема первой приведена на рис. 17. Она состоит из крупного источника света и конденсорной линзы, создающей изображение источника в плоскости объекта. Числовая апертура конденсора должна быть не меньше, чем у объектива. Вторую систему называют системой Келера (рис. 18). Она состоит из небольшого, но мощного источника света, помещённого в фокус линзы, и конденсора, как и предыдущая система.

Образец можно рассматривать как через тонкое покровное стекло, так и без него. Мягкий образец (например, биологический) с неровной поверхностью можно зажать между двумя покровными стёклами. В этом случае естественно использовать иммерсионный объектив с большим увеличением. Если на объективе написано «NCG» или «NC», он предназначен для работы без покровного стекла. Обратим внимание, что объективы микроскопов отражающего света предполагают работу без покровного стекла.

Самым важным элементом микроскопа является объектив. Он может быть предназначен для работы на воздухе или быть иммерсионным, когда между ним и объектом помещается жидкость типа масла или воды. В этом случае на корпусе объектива написано «МИ», «oel» и нанесено чёрное кольцо. Аналогично, надпись «WI» означает, что объектив предназначен для работы в воде. Водоиммерсионные объективы достаточно дорогие и используются в основном в биологии, медицине и микроэлектронике.

На некоторых объективах имеется надпись «UV». Она указывает, что объектив сделан из специального стекла и работает в ультрафиолетовой области спектра (длина волны менее 400 нм). Подобные объективы могут работать в специальных микроскопах для микроэлектроники и в ультрафиолетовых микроскопах.

При выборе объектива нужно учитывать его рабочее расстояние. Рабочее расстояние объектива – это расстояние от его передней плоскости до покровного стекла (или поверхности образца, если стекло не используется) при условии, что образец находится в фокусе. Описание объективов и их рабочих расстояний приведено в табл. 3.

Рабочее расстояние различных объективов

Обычно в микроскопе имеется окуляр. На окуляре, как правило, написано его увеличение и цифры 20 (18), 22 (21, 23) или 26,5 (25). Эти цифры называются «линейное поле» окуляра. Линейное поле окуляра – это размер полевой диафрагмы, расположенной внутри окуляра в плоскости изображения и ограничивающей видимое поле на предмете. Окулярное число – это произведение линейного поля окуляра на его увеличение. Диаметр поля зрения (в мм) рассчитывается делением линейного поля окуляра на увеличение объектива. Следовательно, если увеличение объектива 10´, а окуляр имеет линейное поле 22, то диаметр поля зрения равен 2,2 мм.

На окуляре могут иметься надписи C, K, PL, WF или H. Если объектив не имеет коррекции поперечной хроматической аберрации, нужно использовать окуляр, компенсирующий этот недостаток объектива. Буквы C и K означают, что окуляр является компенсационным. Надпись WF указывает, что окуляр широкоугольный (поле зрения более 60°). Буква H свидетельствует, что глаз не обязательно прижимать к окуляру (обычно расстояние от таких окуляров до глаза соответствует 15-18 мм). Это удобно для людей, носящих очки. Фотоокуляр (PL) – это окуляр с малым увеличением, проектирующий созданное объективом изображение на плоскость фотоплёнки.

Дата добавления: 2016-04-11 ; просмотров: 1637 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Основные характеристики микроскопа, как оптического инструмента

Микроскоп предназначен для наблюдения мелких объектов с большим увеличением и с большей разрешающей способностью, чем дает лупа. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей: объектива и окуляра. Объектив микроскопа образует действительное увеличенное обратное изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра. Окуляр действует как лупа и образует мнимое изображение на расстоянии наилучшего видения (рис. 1). По отношению ко всему микроскопу рассматриваемый предмет располагается в передней фокальной плоскости.

Рис. 1. Оптическая схема микроскопа

Увеличение микроскопа

Действие микрообъектива характеризуют его линейным увеличением:

где — фокусное расстояние микрообъектива, — расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, называемое оптическим интервалом или оптической длиной тубуса.

Изображение, создаваемое объективом микроскопа в передней фокальной плоскости окуляра рассматривается через окуляр, который действует как лупа с видимым увеличением:

Общее увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива на увеличение окуляра:

Если известно фокусное расстояние всего микроскопа, то его видимое увеличение можно определить как:

Как правило, увеличение современных объективов микроскопов стандартизованное и составляет ряд чисел: 10, 20, 40, 60, 90, 100 крат. Увеличения окуляров тоже имеют вполне определенные значения, например 10, 20, 30 крат. Во всех современных микроскопах имеется комплект объективов и окуляров, которые специально рассчитываются и изготавливаются так, что подходят друг к другу, поэтому их можно комбинировать для получения разных увеличений.

Поле зрения микроскопа

Поле зрения микроскопа зависит от углового поля окуляра , в пределах которого получается изображение достаточно хорошего качества:

При данном угловом поле окуляра линейное поле микроскопа в пространстве предметов тем меньше, чем больше его видимое увеличение.

Диаметр выходного зрачка микроскопа

Диаметр выходного зрачка микроскопа вычисляется следующим образом:

где — передняя апертура микроскопа.

Диаметр выходного зрачка микроскопа обычно немного меньше диаметра зрачка глаза (0.5-1 мм).

При наблюдении в микроскоп зрачок глаза нужно совмещать с выходным зрачком микроскопа.

Разрешающая способность микроскопа

Одной из важнейших характеристик микроскопа является его разрешающая способность. Согласно дифракционной теории Аббе, линейный предел разрешения микроскопа, то есть минимальное расстояние между точками предмета, которые изображаются как раздельные, зависит от длины волны и числовой апертуры микроскопа:

Предельно достижимую разрешающую способность оптического микроскопа можно сосчитать, исходя из выражения для апертуры микроскопа (). Если учесть, что максимально возможное значение синуса угла — единичное (), то для средней длины волны можно вычислить разрешающую способность микроскопа:

Полезное увеличение микроскопа

Глаз наблюдателя сможет воспринимать две точки как раздельные, если угловое расстояние между ними будет не меньше углового предела разрешения глаза. Для того чтобы глаз наблюдателя мог полностью использовать разрешающую способность микроскопа, необходимо иметь соответствующее видимое увеличение.

Полезное увеличение — это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза.

Если две точки в передней фокальной плоскости микроскопа расположены друг от друга на расстоянии , то угловое расстояние между изображениями этих точек . Видимое увеличение микроскопа:

Поскольку обычно диаметр выходного зрачка микроскопа около 0.5 — 1 мм, угловой предел разрешения глаза 2ґ — 4ґ. Если взять среднюю длину волны в видимой области спектра (0.5 мкм), то для полезного увеличения микроскопа можно вывести зависимость:

Микроскоп с видимым увеличением меньше 500А не позволяет различать глазом все тонкости структуры предмета, которые изображаются как раздельные данным объективом (). Использование видимого увеличения больше 1000А нецелесообразно, так как разрешающая способность объектива не позволяет полностью использовать разрешающую способность глаза ().

6.2. Микроскоп

Микроскоп предназначен для наблюдения мелких объектов с большим увеличением и с большей разрешающей способностью, чем дает лупа. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей: объектива и окуляра. Объектив микроскопа образует действительное увеличенное обратное изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра. Окуляр действует как лупа и образует мнимое изображение на расстоянии наилучшего видения (рис. 6.4). По отношению ко всему микроскопу рассматриваемый предмет располагается в передней фокальной плоскости.

Рис. 6.4. Оптическая схема микроскопа.

6.2.1. Увеличение микроскопа

Действие микрообъектива характеризуют его линейным увеличением:

где f об ′ – фокусное расстояние микрообъектива, ∆ – расстояние между задним

фокусом объектива и передним фокусом окуляра, называемое оптическим интервалом или оптической длиной тубуса.

Изображение, создаваемое объективом микроскопа в передней фокальной плоскости окуляра рассматривается через окуляр, который действует как лупа с видимым увеличением:

Общее увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива на увеличение окуляра:

Если известно фокусное расстояние всего микроскопа, то его видимое увеличение можно определить так же, как и у лупы:

Как правило, увеличение современных объективов микроскопов стандартизованное и составляет ряд чисел: 10, 20, 40, 60, 90, 100 крат. Увеличения окуляров тоже имеют вполне определенные значения, например 10, 20, 30 крат. Во всех современных микроскопах имеется комплект объективов и

окуляров, которые специально рассчитываются и изготавливаются так, что подходят друг к другу, поэтому их можно комбинировать для получения разных увеличений.

6.2.2. Поле зрения микроскопа

Поле зрения микроскопа зависит от углового поля окуляра ω ′ , в пределах которого получается изображение достаточно хорошего качества:

При данном угловом поле окуляра линейное поле микроскопа в пространстве предметов тем меньше, чем больше его видимое увеличение.

6.2.3. Диаметр выходного зрачка микроскопа

Диаметр выходного зрачка микроскопа вычисляется следующим образом:

где A – передняя апертура микроскопа.

Диаметр выходного зрачка микроскопа обычно немного меньше диаметра зрачка глаза мм).

При наблюдении в микроскоп зрачок глаза нужно совмещать с выходным зрачком микроскопа.

6.2.4. Разрешающая способность микроскопа

Одной из важнейших характеристик микроскопа является его разрешающая способность. Согласно дифракционной теории Аббе, линейный предел разрешения микроскопа, то есть минимальное расстояние между точками предмета, которые изображаются как раздельные, зависит от длины волны и числовой апертуры микроскопа:

Предельно достижимую разрешающую способность оптического микроскопа можно сосчитать, исходя из выражения для апертуры микроскопа ( A = n sin α ). Если учесть, что максимально возможное значение синуса угла – единичное ( A = n sin α = 1 1), то для средней длины волны λ = 0.5 мкм можно

вычислить разрешающую способность микроскопа: σ = 2 λ A = 2 0.5 1 = 0.25 мкм.

Из выражения (6.11) следует, что повысить разрешающую способность микроскопа можно двумя способами: либо увеличивая апертуру объектива, либо уменьшая длину волны света, освещающего препарат.

Для того чтобы увеличить апертуру объектива, пространство между рассматриваемым предметом и объективом заполняется так называемой иммерсионной жидкостью – прозрачным веществом с показателем преломления больше единицы. В качестве такой жидкости используют воду ( n = 1.33), кедровое масло ( n = 1.52), раствор глицерина и другие вещества. Апертуры иммерсионных объективов большого увеличения достигают величины A = 1.5 , тогда предельно достижимая разрешающая способность

иммерсионного оптического микроскопа составит σ = 2 λ A = 2 0 1 .5 .5 = 0.15 мкм.

Применение ультрафиолетовых лучей

Для увеличения разрешающей способности микроскопа вторым способом применяются ультрафиолетовые лучи , длина волны которых меньше, чем у видимых лучей. При этом должна быть использована специальная оптика, прозрачная для ультрафиолетового света. Поскольку человеческий глаз не воспринимает ультрафиолетовое излучение, необходимо либо прибегнуть к средствам, преобразующим невидимое ультрафиолетовое изображение в видимое, либо фотографировать изображение в ультрафиолетовых лучах. При длине волны λ = 0.2 мкм разрешающая способность микроскопа составит

σ = 2 λ A = 2 0.2 1 = 0.1мкм.

Кроме повышения разрешающей способности, у метода наблюдения в ультрафиолетовом свете есть и другие преимущества. Обычно живые объекты прозрачны в видимой области спектра, и поэтому перед наблюдением их предварительно окрашивают. Но некоторые объекты (нуклеиновые кислоты, белки) имеют избирательное поглощение в ультрафиолетовой области спектра, благодаря чему они могут быть «видимы» в ультрафиолетовом свете без окрашивания.

6.2.5. Полезное увеличение микроскопа

Глаз наблюдателя сможет воспринимать две точки как раздельные, если угловое расстояние между ними будет не меньше углового предела разрешения глаза. Для того чтобы глаз наблюдателя мог полностью использовать разрешающую способность микроскопа, необходимо иметь соответствующее видимое увеличение.

Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза.

Если две точки в передней фокальной плоскости микроскопа расположены друг от друга на расстоянии σ , то угловое расстояние между изображениями

Микроскоп оптический

Оптический микроскоп — прибор для получения увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. (от др.-греч. μικρός «маленький» и σκοπέω «рассматриваю») — оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. Источник: Википедия.

Области применения микроскопов

Оптические микроскопы различаются по видам и модификациям для разнообразных областей применения.

Методы микроскопии в современном мире используются практически во всех сферах человеческой деятельности: «перечислить области использования»

В последние десятилетия для микроскопических исследований широко применяется специальное оптическое программное обеспечение. С помощью компьютерных программ достигается непрерывное наблюдение за объектами исследований, что особенно важно для изучения биологических объектов.

Благодаря современным алгоритмам, применяемых в оптическом программном обеспечении, значительно сокращаются затраты рабочего времени

Принципы устройства

Главными компонентами микроскопа являются:

Система оптического микроскопа включает в себя ряд компонентов, основным из которых является объектив.

Объективы оптического микроскопа являются одной из главных частей и представляют собой сложный механизм для увеличения изображения изучаемого предмета. Увеличенное с помощью оптического объектива изображение предмета рассматривается через окуляр, который также в свою очередь может создавать увеличение. Если объектив микроскопа каким-то образом искажает изображение, то это искажение будет усилено окуляром. Объектив микроскопа это сложная оптическая система, увеличевающее изображение объекта. Она является наиболее ответственной и основной частью исследовательского оборудования. Рассмотреть изображение созданное объективом, можно через окуляр.

Объектами исследований микроскопов могут являться любые органические и не органические предметы, живые и не живые ткани, целые биологические организмы или их отдельные части.

Микроскоп имеет в качестве осветительной оптической системы галогеновую лампу или светодиодную систему. Достоинством светодиода является крайне долгое время работы, по сравнению с обычными галогеновыми лампами (в 100 и более раз превышающее данный показатель); малое энергопотребление (составляющее от 1/3 до 1/10 энергопотребления обычной лампы); спектральная “чистота” и т.д.

Конденсоры

Конденсоры оптического микроскопа являются главным элементом системы и большей частью представляют собой отдельный, чаще — съёмный, агрегат. Конденсоры монтируются непосредственно рядом с предметным столиком и осуществляют освещение объекта. Неотъемлемой деталью конденсора является апертурная ирисовая диафрагма.

Диафрагма предназначена для ограничения количества света только в той части препарата, которая изучается в данный момент времени. Особенно это полезно при работе с большими увеличениями, когда необходимо подсветить только небольшую площадь образца.

Открытая полевая диафрагма увеличивает ширину луча света. Данная настройка применяется при работе с малыми увеличениями (большее поле зрения)

Закрытие диафрагмы приводит к сужению луча света

Предметный столик под микроскоп

Неотъемлемой частью конструкции, которой обладает микроскоп является предметный столик, представляющий собой поверхность на которую устанавливают препарат для исследований. Предметные столики разделяются на подвижные и неподвижные. Неподвижные предметные столики монтируются на самом простом и дешёвом оборудовании используемом для обучения детей в школах.

Даже самые простые предметные столики под микроскоп позволяют перемещение в двух координатных плоскостях, а более сложные обеспечивают перемещение по трём осям и поворот на определённый угол.

Применяемые объективы и их основные характеристики

Как уже говорилось ранее, оптические микроскопы объективы которых являются одной из самых главных частей. Это весьма сложная оптическая конструкция, которая интегрирует в себе фронтальную линзу и комбинацию внутренних линз. В зависимости от уровня поставленных задач в объективе может быть до четырнадцати различных линз.

Основные данные обычно указываются на корпусе оптического объектива.

Микроскоп может иметь следующие объективы:

• Ахроматы (ахроматические);
• Планапохроматические
• Планахроматические
• Планфлуораты

Ахроматические объективы корректируют аберрацию красного и фиолетового спектров. Также они уменьшают сферическую аберрацию, сферохроматическую аберрацию.

Планахроматические объективы практически полностью уничтожают сферическую аберрацию. В отличие от ахроматических объективов апохроматические –почти не искажают природный цвет объекта.

Основным преимуществом планапохроматических оптических объективов является возможность с их помощью получать резкое и не искажённое изображение по всему полю. Кроме этого некоторые модификации объективов плоского поля корректируют хроматические аберрации.

Степень увеличения изображения изучаемого предмета является одним из основных параметров оптических объективов. По степени увеличения объективы подразделяются на:

• малого увеличения – до 10х;
• среднего увеличения – от 10х до 50х;
• большого увеличения – от 50х до 100х;

Следующей важной характеристикой объективов является их числовая апертура, которая показывает разрешающую способность оптической системы микроскопа и определяется величиной минимального расстояния при котором объектив может различить две соседние точки.

По величине апертуры объективы делятся на

• объективы с малой апертурой – до 0,25;
• со средней апертурой – до 0,65;
• с большой апертурой – больше 0,65.

Микроскопы компании Nikon

Микроскопы торговой марки Nikon занимают высшую ступеньку. Это современные микроскопы, в которых конструкторы интегрировали самые новые и современные инновационные технические решения и возможности мировой науки и техники.

По сфере применения микроскопы компании Nikon подразделяются на следующие группы:

• биологический микроскоп;
• стереомикроскопы.

Биомедицинские или биологические микроскопы Nikon используются для современных биологических и медицинских исследований по изучению живых организмов и объектов, а также для автоматизированных и многоцелевых лабораторных анализов.

Среди биомедицинских Nikon выделяются следующие модельные ряды:

• Микроскоп Nikon Eclipse Е ;
• Микроскоп Nikon Eclipse Ci;
• Микроскоп Nikon Ni ;
• Микроскоп Nikon Ti .

Стереомикроскопы Nikon позволяют оператору наблюдать трёхмерный объект исследования с возможностью получения вполне естественного изображения.

Среди стереомикроскопов Никон выделяются следующие серии моделей:

• Микроскоп Nikon SMZ1270/1270i;
• Микроскоп Nikon SMZ800N;
• Микроскоп Nikon SMZ25/SMZ18;
• Микроскоп Nikon SMZ745/745T;
• Nikon SMZ 660;
• Nikon SMZ 445/460.

Документация(фиксирование) изображения.

Интеграция современных микроскопов Nikon с цифровыми камерами позволяет вести непрерывное наблюдение за рассматриваемыми объектами с одновременной фиксацией и записью их изображений. Цифровые камеры, в настоящее время широко применяются для наблюдений за живыми организмами, а также в других отраслях науки и техники.

Компания Nikon выпускает следующие цифровые камеры:

Nikon DS-Fi2 Nikon DS-Qi1 Nikon DS-Vi1 Nikon DS-Fi1c Nikon DS-Ri1

• цифровую камеру NikonDS-Fi2;
• цифровую камеру NikonDS-Qi1;
• цифровую камеру NikonDS-Vi1;
• цифровую камеру NikonDS-Fi1c;
• цифровую камеру NikonDS—Ri1.

Каталог микроскопов

Классификация по принципу построения изображения

В лабораторных микроскопах наблюдатель видит отраженный или проходящий через свет не всегда так, как если бы он смотрел невооруженным глазом. Луч света может быть подвергнут изменению, как по форме, так и по длине волны или другим свойствам. В связи с этим, выделяют несколько видов лабораторных микроскопов по принципу построения изображения:

• Метод светлого поля. Для обычного человека это наиболее удобная форма восприятия объекта: светлый фон и темное изображение. Используется в микроскопах проходящего света, поэтому наблюдатель получает то же самое изображение, но в увеличенном виде. Изменения могут вызываться только применением светофильтров из цветного стекла, которые надеваются на объектив. Реже используются интерференционные светофильтры, которые пропускают только определенную длину волны.
• Метод темного поля. В этих микроскопах все наоборот: темный фон и более светлое изображение либо яркий блестящий контур исследуемого объекта. Достигается это разными способами в зависимости от типа микроскопа. В проходящих падающий свет перекрывается до того момента, как он попадет на объект. В приборах отраженного света луч проходит через кольцевую диафрагму с непрозрачным диском, который по своему размеру превышает выходной зрачок объектива.
• Метод фазового контраста. Эти микроскопы, которые иногда так и называют – фазовые, — позволяют получить изображения с четко выраженными внешними и внутренними границами. Этот метод хорошо подходит для изучения клеток и тканей.
• Люминесцентные микроскопы. Их принцип действия строится на свойствах некоторых веществ возбуждать собственное излучение под действием ультрафиолетовых или сине-фиолетовых лучей. Соответствующий яркий источник света направляется на объект, а новые лучи от него «отсекаются» сложной системой светофильтров до получения излучения только определенной длины волны.
• «Иммерсионные» микроскопы. Эти приборы используются для сложных медико-биологических исследований, где нужно получить контрастное изображение объекта на фоне схожего оттенка. Прямой проходящий свет перекрывается в два этапа: часть до объекта, вторая часть – после объекта с ослаблением.
• Микроскопы интерференционного (или дифференциально-интерференционного) контраста. Позволяют получить на однотонном фоне объемное изображение того же цвета. Для разделения изображения и фона используется окантовка другого цвета.
• Ультрафиолетовые и инфракрасные микроскопы. В них освещение и формирование изображения происходит на длинах волн, невидимых для человеческого глаза. Соответственно, для удобства наблюдений такие микроскопы подключаются к компьютеру, который конвертирует изображение.

Современные лабораторные микроскопы далеко не всегда строятся по какому-либо одному принципу. Для лаборатории экономически невыгодно приобретать десятки моделей приборов для разных наблюдений, поэтому сейчас микроскопы выпускаются в модульном исполнении для формирования разных способов построения изображений. Кроме того, многие можно подключать к компьютеру для записи и обработки информации.

Классификация по способу освещения

Для получения качественных результатов наблюдения должны выполняться при хорошей освещенности. Естественный свет используют разве что игрушечные или школьные микроскопы, а для лабораторных приборов нужны дополнительные источники освещения. В зависимости от их вида и расположения в системе микроскопа, выделяют следующие варианты конструкции:

• Микроскопы проходящего света. Стандартный способ построения микроскопа, который использовался еще в самых первых моделях и часто встречается в наши дни. Принцип их работы связан с тем, что свет от внешнего источника проходит сквозь объект, а человек в этом время наблюдает его через бинокулярную насадку. По такому принципу могут строиться микроскопы всех видов, включая стереоскопические. С их помощью можно изучать прозрачные и полупрозрачные объекты.
• Микроскопы отраженного света. Здесь наблюдатель видит не сам объект исследования напрямую, а смотрит на изображение, которое от него отразилось. Микроскопы плоского поля (инвертированные или прямые), а также стереоскопические, могут изготавливаться по этому принципу. С помощью отраженного света хорошо исследовать непрозрачные предметы с разной степенью отражающей способности, а также полупрозрачные образцы.

В свою очередь, лабораторные микроскопы отраженного света тоже делятся на две основные категории:

• «Оригинальные» микроскопы отраженного света, в которых свет проходит через оптическую систему микроскопа, отражается от объекта, а затем снова проходит через оптику. В первом случае объектив становится частью осветительной системы, во втором – основным элементом, который увеличивает отраженный от объекта свет и передает его наблюдателю.
• Во втором варианте конструкции свет падает на объект напрямую, а не через оптическую систему микроскопа. Увеличение происходит за счет прохождения отраженного света через объектив. По такому принципу, как правило, строятся стереоскопические микроскопы.

Существуют и люминесцентные приборы плоского поля, в которых есть осветитель отраженного света. В них рассматриваемое изображение строится не тем лучом света, который прошел через оптику, отразился от объекта и вновь прошел через объектив. Другими словами, используется один и тот же луч света, но вот его длина после отражения от объекта и повторного прохождения через оптику будет другой. Часто бывает так, что в одном микроскопе объединяют разные осветительные системы. Это делается для того, чтобы сделать прибор универсальным для изучения всех видов объектов.

Примеры моделей: микроскопы NIKON

Современные технологии позволяют проводить лабораторные исследования практически любой сложности. Для выбора оптимального прибора, который способен точно решать поставленные перед лабораторией задачи, необходимо проконсультироваться со специалистами. На рынке производителей микроскопии в мире выделяется несколько основных производителей. Ведущим производителем обоурдования для лаборатоhных исcледований является компаниz Nikon. Оборудование отличается повышенной точность результатов, великолепными и практически неограниченными возможностями. При выборе оборудования, необходимо учитывать и технические характеристики приборов и возможности поддержки производителя по настройке и эксплуатации оборудования.