Что составляет оптическую систему микроскопа. Мир современных материалов - оптический микроскоп

Оптической микроскопией называют совокупность методов наблюдения и исследования частиц анализируемых образцов лекарственных средств, невидимых невооруженным глазом, с помощью оптического микроскопа.

Размер частиц, которые могут быть исследованы данным методом, определяется разрешающей способностью микроскопа и обычно составляет 1 мкм и более. Однако при необходимости могут быть использованы микроскопы с общим увеличением более 1500, что позволяет характеризовать объекты размером от 0,5 мкм с разрешением отдельных структур объекта до 0,1 мкм.

Область применения

В фармакопейном анализе оптическую микроскопию применяют для определения размера частиц при контроле качества мягких лекарственных форм, суспензий, эмульсий, аэрозолей; в технологии лекарственных форм – для определения степени измельчения субстанций и вспомогательных веществ, а также для исследования кристаллических субстанций, так как форма, окраска и размер кристаллов являются индивидуальными характеристиками вещества.

Оборудование

Обычно оптический микроскоп имеет двухступенчатую систему увеличения, образованную объективом и окуляром.

Все узлы микроскопа монтируются на массивном основании. На основании установлен тубусодержатель, в котором укреплен тубус с объективом и окуляром. Под объективом находится предметный столик, под которым расположена осветительная система (зеркало, коллектор, конденсор). Для освещения объекта наблюдения может быть использован как естественный свет, так и специальные источники света (встроенный или внешние осветители).

Микроскоп может быть снабжен дополнительными приспособлениями(фазово-контрастными устройствами, конденсорами темного поля, поляризаторами, анализаторами и др.) и, в зависимости от выбранного метода наблюдения, может быть светлопольным, темнопольным, фазово-контрастным, поляризационным и др.

Испытуемый объект помещают на предметный столик. Свет от источника света, проходя через осветительную систему, испытуемый объект и объектив, попадает в окуляр или установленную вместо него систему регистрации, фото- или видеокамеру. Через окуляр осуществляют визуальное исследование объекта, а соединенная с компьютером цифровая фото- или видеокамера позволяет регистрировать изображения объекта, после чего их можно обрабатывать по специальным программам в полу- или полностью автоматическом режиме.

Увеличение микроскопа (произведение увеличений объектива, окуляра и дополнительных приставок) должно быть достаточным для адекватного описания и определения размеров самых мелких частиц образца.

Для каждого диапазона увеличения следует выбирать максимальную числовую апертуру объектива. Для контроля контрастности и детализации изображения окрашенных объектов рекомендуется использовать цветные фильтры с относительно узким спектром пропускания. Цветные фильтры могут применяться и для ахроматических (бесцветных) объектов.

Настройку всех элементов оптической системы, фокусировку и калибровку проводят в соответствии с прилагаемой к микроскопу

инструкцией.

Пробоподготовка

Испытуемые образцы можно исследовать как без использования, так и с использованием иммерсионной жидкости. Природа применяемой иммерсионной жидкости в значительной степени определяется физическими свойствами испытуемого образца, который не должен в ней растворяться. Если нет других указаний, в качестве иммерсионной жидкости при исследовании фармацевтических субстанций и вспомогательных веществ используют минеральное масло.

Частицы порошка должны находиться в одной плоскости и должны быть диспергированы так, чтобы были видны отдельные частицы (недопустимо слипание частиц).

Кроме того, при приготовлении образца для микроскопии (в том числе, при диспергировании в иммерсионной жидкости) должны быть сохранены первоначальный размер частиц и их распределение по размерам, свойственные испытуемому образцу.

Лекарственные формы анализируют без разведения или разводят, как указано в фармакопейной статье.

Лекция №7

Методы визуализации поверхности

Оптическая микроскопия

Человеческий глаз, позволяющий нам видеть и изучать окружающий мир, представляет собой довольно простую оптическую систему, главным элементом которой является хрусталик, фактически представляющий собой линзу из жидкокристаллического вещества. Минимальные объекты, которые можно разглядеть при помощи такой оптической системы, имеют размеры около 0,1 мм, а для разглядывания и изучения более мелких предметов сперва стали применять очки или лупы, а затем и сложные конструкции из оптических линз, называемые оптическими микроскопами.

Микроскоп (от греч. mikros – малый и skopeo – смотрю) – прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), не видимых невооруженным глазом .

Оптическая схема и принцип действия оптического микроскопа . Одна из типичных схем оптического микроскопа приведена на рис. 1. Объект 7, расположенный на предметном столике 10, освещается обычно искусственным светом от осветителя (лампа 1 и линза-коллектор 2) с помощью зеркала 4 и конденсора 6. Для увеличения объекта служит объектив 8 и окуляр 9. Объектив создает действительное перевернутое и увеличенное изображение 7" объекта 7. Окуляр образует вторично увеличенное мнимое изображение 7" обычно на расстоянии наилучшего видения D=250 мм. Если окуляр сдвинуть так, чтобы изображение 7" оказалось перед передним фокусом окуляра F ок, то изображение, даваемое окуляром, становится действительным и его можно получить на экране или фотопленке. Общее увеличение равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра: x=bX ок. Увеличение объектива выражается формулой: b=D/F об, где D – расстояние между задним фокусом объектива F об и передним фокусом окуляра F ок (так называемая оптическая длина тубуса микроскопа); F об – фокусное расстояние объектива. Увеличение окуляра, подобно увеличению лупы, выражается формулой: X ок = 250/F ок, где F ок – фокусное расстояние окуляра. Обычно объективы оптических микроскопов имеют увеличения от 6,3 до 100, а окуляры от 7 до 15. Поэтому общее увеличение такого микроскопа лежит в пределах от 44 до 1500. Полевая диафрагма 3 и апертурная 5 служат для ограничения светового пучка и уменьшения рассеянного света. Важной характеристикой оптического микроскопа является его разрешающая способность, определяемая как величина, обратная тому наименьшему расстоянию, на котором два соседних элемента структуры еще могут быть видимы раздельно . Разрешающая способность оптического микроскопа ограничена, что объясняется дифракцией света. Вследствие дифракции изображение бесконечно малой светящейся точки, даваемое объективом такого микроскопа, имеет вид не точки, а круглого светлого диска (окруженного темными и светлыми кольцами), диаметр которого равен: d = 1,22  /А , где  – длина волны света и А –числовая апертура объектива, равная: А = n sin(a/2) (n – показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом, a – угол между крайними лучами конического светового пучка, выходящего из точки предмета и попадающего в объектив). Если две светящиеся точки расположены близко друг от друга, их дифракционные картины накладываются одна на другую, давая в плоскости изображения сложное распределение освещенности. Наименьшая относительная разница освещенностей, которая может быть замечена глазом, равна 4%. Этому соответствует наименьшее расстояние, разрешаемое в оптическом микроскопе, d=0,51  /А . Для несамосветящихся объектов предельное разрешение d пр составляет  /(А+А") , где А" – числовая апертура конденсора микроскопа. Таким образом, разрешающая способность (1/d ) прямо пропорциональна апертуре объектива и для ее повышения пространство между предметом и объективом заполняется жидкостью с большим показателем преломления. Апертуры иммерсионных объективов большого увеличения достигают величины А =1,3 (у обычных «сухих» объективов А =0,9). Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличения оптического микроскопа. Увеличение оптического микроскопа в пределах 500А – 1000А называется полезным, так как при нем глаз различает все элементы структуры объекта, разрешаемые микроскопом. При увеличениях свыше 1000А не выявляются никакие новые подробности структуры объекта; все же иногда такие увеличения применяются, например, в микрофотографии, при микропроекции.

Методы наблюдения при оптической микроскопии . Структуру объекта можно различить, если разные его части по-разному поглощают и отражают свет, либо отличаются одна от другой (или от среды) показателями преломления. Эти свойства обусловливают разницу амплитуд и фаз световых волн, отраженных или прошедших через различные участки объекта, от чего, в свою очередь, зависит контрастность изображения. Поэтому методы наблюдения, применяемые в оптической микроскопии, выбираются в зависимости от характера и свойств изучаемого объекта.

Метод светлого поля в проходящем свете применяется при исследовании прозрачных объектов с включенными в них абсорбирующими (поглощающими свет) частицами и деталями. Таковы, например, тонкие окрашенные срезы животных и растительных тканей, тонкие шлифы минералов и материалов радиоэлектроники. В отсутствии объекта пучок лучей из конденсора 6 (см. рис. 1) проходит через объектив 8 и дает равномерно освещенное поле вблизи фокальной плоскости окуляра 9. Если в объекте 7 имеется абсорбирующий объект, то он отчасти поглощает и отчасти рассеивает падающий на него свет (штриховая линия), что и обусловливает, согласно дифракционной теории, возникновение изображения. Метод может быть полезен и при неабсорбирующих объектах, если они рассеивают освещающий пучок настолько сильно, что значительная часть пучка не попадает в объектив.

Метод светлого поля в отраженном свете (рис. 2) применяется для наблюдения непрозрачных объектов, например, шлифов металлов 4.

Освещение объекта производится от осветителя 1 и полупрозрачного зеркала 2 сверху через объектив 3, который выполняет одновременно и роль конденсора. Изображение создается в плоскости 6 объективом совместно с тубусной линзой 5; структура объекта видна из-за различия в отражающей способности ее элементов; на светлом поле выделяются неоднородности, рассеивающие падающий на них свет.

Метод темного поля в проходящем свете (рис. 3) применяется для получения изображений прозрачных, неабсорбирующих объектов. Свет от осветителя 1 и зеркала 2 проходит специальный конденсор темного поля 3 в виде полого конуса и непосредственно в объектив 5 не попадает. Изображение создается только светом, рассеянным микрочастицами объекта 4. В поле зрения 6 на темном фоне видны светлые изображения частиц, отличающихся от окружающей среды по показателю преломления.

Метод ультрамикроскопии , основанный на этом же принципе (освещение объекта в ультрамикроскопах производится перпендикулярно направлению наблюдения), дает возможность обнаруживать сверхмелкие детали, размеры которых (2 нм) лежат далеко за пределами разрешения оптического микроскопа. Возможность обнаружения таких объектов, например, мельчайших коллоидных частиц, с помощью ультрамикроскопа обусловлена дифракцией света на них. При сильном боковом освещении каждая частица в ультрамикроскопе отмечается наблюдателем как яркая точка (светящееся дифракционное пятно) на темном фоне. Вследствие дифракции на мельчайших частицах рассеивается очень мало света. Поэтому в ультрамикроскопии применяют, как правило, сильные источники света. В зависимости от интенсивности освещения, длины световой волны, разности показателей преломления частицы и среды обнаруживаемые частицы имеют размеры (2–50) нм. По дифракционным пятнам нельзя определить истинные размеры, форму и структуру частиц: ультрамикроскоп не дает изображений оптических исследуемых объектов. Однако, используя ультрамикроскоп, можно установить наличие и численную концентрацию частиц, изучать их движение, а также рассчитать средний размер частиц, если известна их весовая концентрация и плотность. Ультрамикроскоп создали в 1903г. немецкий физик Г. Зидентопф и австрийский химик Р. Зигмонди. В предложенной ими схеме щелевого ультрамикроскопа (рис. 4, а) исследуемая система неподвижна. Кювета 5 с изучаемым объектом освещается источником света 1 (2 – конденсор; 4 – осветительный объектив) через узкую прямоугольную щель 3, изображение которой проецируется в зону наблюдения.

В окуляр наблюдательного микроскопа 6 видны светящиеся точки частиц, находящихся в плоскости изображения щели. Выше и ниже освещенной зоны присутствие частиц не обнаруживается. В поточном ультрамикроскопе (рис. 4, б) изучаемые частицы движутся по трубке навстречу глазу наблюдателя. Пересекая зону освещения, они регистрируются как яркие вспышки визуально или с помощью фотометрического устройства. Регулируя яркость освещения наблюдаемых частиц подвижным фотометрическим клином 7, можно выделять для регистрации частицы, размер которых превышает заданный предел. Ультрамикроскоп применяют при исследованиях дисперсных систем, для контроля чистоты атмосферного воздуха, воды, степени загрязнения оптически прозрачных сред посторонними включениями.

При наблюдении по методу темного поля в отраженном свете (рис. 5) непрозрачные объекты (например, шлифы металлов) освещают сверху специальной кольцевой системой, расположенной вокруг объектива и называемой эпиконденсором .

Лучи света от лампы осветителя темного поля 1, отражающиеся от эпиконденсора 2 и падающие под углом к поверхности подложки 3, рассеиваются инородными частицами. Эти рассеянные от инородных частиц лучи света проходят через линзы объектива микроскопа 4 и 5, отражаются от зеркала призмы микроскопа 6 и, проходя через линзу окуляра микроскопа 7, различаются наблюдателем в виде светящихся точек в темном поле.

Метод наблюдения в поляризованном свете (в проходящем и отраженном) применяется для исследования анизотропных объектов, таких как минералы, руды, зерна в шлифах сплавов, некоторые животные и растительные ткани и клетки. Оптическая анизотропия – это различие оптических свойств среды в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения (света) и его поляризации . Поляризация света – физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн , то есть неэквивалентность различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Поперечность электромагнитных волн лишает волну осевой симметрии относительно направления распространения из-за наличия выделенных направлений (вектора Е – напряженности электрического поля и вектора Н – напряженности магнитного поля) в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Поскольку векторы Е и Н электромагнитной волны перпендикулярны друг другу, для полного описания состояния поляризации светового пучка требуется знание поведения лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирается вектор Е. Свет, испускаемый каким-либо отдельно взятым элементарным излучателем (атомом, молекулой), в каждом акте излучения всегда поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей; пространственные ориентации векторов Е и моменты актов испускания света отдельными частицами в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в общем излучении направление Е в каждый момент времени непредсказуемо. Подобное излучение называется неполяризованным , или естественным светом. Свет называется полностью поляризованным , если две взаимно перпендикулярные компоненты (проекции) вектора Е светового пучка совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Обычно состояние поляризации света изображается с помощью эллипса поляризации – проекции траектории конца вектора Е на плоскость, перпендикулярную лучу (рис. 6)

Оптическая анизотропия проявляется в двойном лучепреломлении, изменении поляризации света и во вращении плоскости поляризации, происходящем в оптически активных веществах. Естественная оптическая анизотропия кристаллов обусловлена неодинаковостью по различным направлениям поля сил, связывающих атомы решетки. Естественная оптическая активность веществ, которые проявляют ее в любом агрегатном состоянии, связана с асимметрией строения отдельных молекул таких веществ и обусловленным ею различием во взаимодействии этих молекул с излучением различных поляризаций, а также с особенностями возбужденных состояний электронов и «ионных остовов» в оптически активных кристаллах. Наведенная (искусственная) оптическая анизотропия возникает в средах, от природы оптически изотропных под действием внешних полей, выделяющих в таких средах определенное направление. Это может быть электрическое поле, магнитное поле, поле упругих сил, а также поле сил в потоке жидкости. В методе наблюдения в поляризованном свете с помощью анализаторов и компенсаторов, которые включены в оптическую систему, изучается изменение поляризации света, прошедшего через объект.

Метод фазового контраста служит для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, невидимых при наблюдении по методу светлого поля. К числу таких объектов относятся, например, живые неокрашенные животные ткани. Метод основан на том, что даже при малом различии показателей преломления объекта и среды световая волна, прошедшая сквозь них, претерпевает разные изменения по фазе и приобретает фазовый рельеф . Эти фазовые изменения преобразуются в изменения яркости («амплитудный рельеф») с помощью специальной фазовой пластинки (фазового кольца), расположенной вблизи заднего фокуса объектива. Лучи, прошедшие через объект, полностью проходят через фазовое кольцо, которое изменяет их фазу на /4. В то же время лучи, рассеянные в объекте (отклоненные), не попадают в фазовое кольцо и не получают дополнительного сдвига фазы. С учетом фазового сдвига в объекте разность фаз между лучами отклоненными и неотклоненными оказывается близкой к 0 или /2, и в результате интерференции света в плоскости изображения объекта они заметно усиливают или ослабляют друг друга, давая контрастное изображение структуры объекта, в котором распределение яркостей воспроизводит указанный выше фазовый рельеф.

Метод интерференционного контраста состоит в том, что каждый луч, входящий в микроскоп, раздваивается: один проходит сквозь наблюдаемую частицу, а второй – мимо нее. В окулярной части микроскопа оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой. Результат интерференции определяется разностью хода лучей d , которая выражается формулой: d=N  =(n 0 -n m )d 0 , где n 0 , n m – показатели преломления соответственно частицы и окружающей среды, d 0 – толщина частицы, N – порядок интерференции. Принципиальная схема одного из способов осуществления интерференционного контраста показана на рис. 4. Конденсор 1 и объектив 4 снабжены двоякопреломляющими пластинками (помечены на рисунке диагональными стрелками), первая из которых расщепляет исходный световой луч на два луча, а вторая воссоединяет их. Один из лучей, проходя через объект 3, запаздывает по фазе (приобретает разность хода по сравнению со вторым лучом); величина этого запаздывания измеряется компенсатором 5. Метод интерференционного контраста в некоторых отношениях сходен с методом фазового контраста – оба они основаны на интерференции лучей, прошедших через микрочастицу и миновавших ее. Отличие интерференционного метода от метода фазового контраста заключается главным образом в возможности с высокой точностью (до /300) измерять разности хода, вносимые микрообъектом, используя компенсаторы. На основании этих измерений можно производить количественные расчеты, например, общей массы и концентрации сухого вещества в клетках биологических объектов.

Метод исследования в свете люминесценции основан на том, что под микроскопом изучается зелено-оранжевое свечение объекта, возникающее при его освещении сине-фиолетовым или УФ светом. Для этой цели перед конденсором и после объектива микроскопа вводят соответствующие светофильтры. Первый из них пропускает от источника-осветителя только излучение, вызывающее люминесценцию объекта, второй (после объектива) пропускает к глазу наблюдателя только свет люминесценции. Метод применяется в микрохимическом анализе, дефектоскопии.

Метод наблюдения в УФ лучах позволяет увеличить предельную разрешающую способность микроскопа, пропорциональную 1/. Этот метод расширяет возможности микроскопических исследований также за счет того, что частицы многих веществ, прозрачные в видимом свете, сильно поглощают УФ излучение определенных длин волн и, следовательно, легко различимы в УФ изображениях. Изображения в УФ микроскопии регистрируют либо фотографированием, либо с помощью электронно-оптического преобразователя или люминесцирующего экрана.

Метод наблюдения в ИК лучах также требует преобразования невидимого для глаза изображения в видимое путем его фотографирования или с помощью электронно-оптического преобразователя. ИК микроскопия позволяет изучать внутреннюю структуру объектов, непрозрачных в видимом свете, например, темных стекол, некоторых кристаллов, минералов.

Основные узлы оптического микроскопа . Кроме указанных выше оптических узлов (например, объектив, окуляр), в оптическом микроскопе имеются также штатив или корпус, предметный столик для крепления исследуемого объекта, механизмы для грубой и точной фокусировки, устройство для крепления объективов и тубус для установки окуляров. Применение того или иного типа конденсора (светлопольные, темнопольные и т. д.) зависит от выбора необходимого метода наблюдения. Объективы в большинстве современных оптических микроскопов съемные. Объективы различаются:

а) по спектральным характеристикам – на объективы для видимой области спектра и для УФ и ИК микроскопии (линзовые и зеркально-линзовые);

б) по длине тубуса, на которую они рассчитаны (в зависимости от конструкции микроскопа);

в) по среде между объективом и объектом – на сухие и иммерсионные;

г) по методу наблюдения – на обычные, фазово-контрастные и др.

Тип применяемого окуляра при данном методе наблюдения определяется выбором объектива оптического микроскопа. Приспособления к оптическим микроскопам позволяют улучшить условия наблюдения и расширить возможности исследований, осуществлять разные виды освещения объектов, определять размеры объектов, фотографировать объекты через микроскоп, и т. п. Типы микроскопов определяются либо областью применения, либо методом наблюдения. Например, биологические микроскопы предназначены для исследований в микробиологии, гистологии, цитологии, ботанике, медицине, а также для наблюдения прозрачных объектов в физике, химии и т. д. Металлографические микроскопы предназначены для исследования микроструктур металлов и сплавов. Снятые с помощью такого микроскопа микрофотографии нетравленого шлифа металла представлены на рис. 5 (а – в светлом поле, б – с фазово-контрастным устройством). Поляризационные микроскопы снабжены дополнительно поляризационными устройствами и предназначены главным образом для исследования шлифов минералов и руд. Стереомикроскопы служат для получения объемных изображений наблюдаемых предметов. Измерительные микроскопы предназначены для различных точных измерений в машиностроении. Кроме этих групп микроскопов имеются специализированные оптические микроскопы , например: микроустановка для киносъемки быстрых и медленных процессов (движение микроорганизмов, процессы деления клеток, роста кристаллов и т. п.); высокотемпературные микроскопы для исследования объектов, нагретых до 2000°С; хирургические микроскопы слабого увеличения , применяемые при операциях. Весьма сложными приборами являются микроспектрофотометрические установки для определения спектров поглощения объектов, телевизионные анализаторы микроизображений и др.

Как уже было сказано, независимо от вида используемых линз и способа их соединения, разрешающая способность оптических микроскопов ограничивается основным правилом оптической техники, сформулированным еще в 1873г. (так называемый дифракционный предел разрешения Рэлея), в соответствии с которым минимальные размеры различаемых деталей рассматриваемого объекта не могут быть меньше, чем половина длины волны света, используемого для освещения. Поскольку самые короткие длины волн диапазона соответствуют примерно 400 нм, разрешающая способность оптических микроскопов принципиально ограничена половиной этой величины, то есть составляет около 200 нм. Единственным выходом из возникшей ситуации стало создание приборов, в которых используются волновые излучения с меньшей длиной волны, то есть излучения не световой природы.

Электронная микроскопия

В квантовой механике электрон может рассматриваться в качестве волны, на которую, в свою очередь, можно воздействовать электрическими или магнитными линзами (в полной аналогии с законами привычной геометрической оптики). На этом основан принцип действия электронных микроскопов, позволяющих значительно расширить возможности исследования вещества на микроскопическом уровне (за счет увеличения разрешающей способности на порядки). В электронном микроскопе вместо света используются сами электроны, представляющие собой в данной ситуации излучение со значительно более короткой длиной волны (примерно в 50 000 раз меньше световой). В таких устройствах вместо стеклянных линз, естественно, применяются электронные линзы (то есть поля соответствующей конфигурации). Электронные пучки не могут распространяться без рассеяния даже в газовых средах, поэтому внутри электронного микроскопа, вдоль всей траектории электронов, должен поддерживаться высокий вакуум (давление до 10 –6 мм.рт.ст. или 10 –4 Па). Электронные микроскопы разделяются на два больших класса по методике применения: просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) и сканирующие (СЭМ) или по-другому растровые (РЭМ). Основное различие между ними заключается в том, что в ПЭМ электронный пучок пропускается через очень тонкие слои исследуемого вещества, с толщиной менее 1 мкм (как бы «просвечивая» эти слои насквозь), а в сканирующих микроскопах электронный пучок последовательно отражается от маленьких участков поверхности (структура поверхности и ее характерные особенности могут быть определены при этом регистрацией отраженных электронов или вторичных электронов, возникающих при взаимодействии пучка с поверхностью).

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) . Конструкция ПЭМ похожа на схему обычного оптического микроскопа (рис. 1), только вместо лучей света используются электроны (то есть соответствующие им волны). Первое устройство такого типа было создано в 1932г. немецкими учеными М. Кноллом и Е. Руска. В таком микроскопе источник света заменен так называемой электронной пушкой (источником электронов). Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Металлический катод 2 испускает электроны, которые собираются в пучок с помощью фокусирующего электрода 3 и получают энергию под действием сильного электрического поля в пространстве между катодом и анодом 1. Для создания этого поля к электродам прикладывается высокое напряжение – 100 кВ и более. Выходящий из электронной пушки пучок электронов с помощью линзы-конденсора 4 направляется на рассматриваемый объект, который рассеивает, отражает и поглощает электроны. Они фокусируются линзой-объективом 5, которая создает промежуточное изображение объекта 7. Проекционная линза 6 снова собирает электроны и создает второе, еще более увеличенное изображение объекта на люминесцентном экране, на котором под действием электронов создается светящееся изображение объекта. С помощью помещенной под экраном фотопластины получают фотографию рассматриваемого объекта.

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.

Оптика микроскопа состоит из двух элементов — окуляра и объектива которые закреплены в подвижном тубусе, находящимся на металлическом основании с предметный столиком. Увеличение микроскопа без дополнительных линз между окуляром и объективом равно произведению их увеличений

В наше время в микроскопе почти всегда есть система освещения и микро и макро винтами для настройки резкости.

В зависимости от назначения к исследовательскиму микроскопу могут прилагаться дополнительные системы и устройства, такие как

объективы с увеличеным разрешением 40, апертурой 0,65, коррекцией на толщину покровного стекла 0,17 мм и бесконечную длину тубуса

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.

Объективы исследовательских и других микроскопов кисключая стереоскопические в большей степени взаимозаменяемые и унифицированые. На взаимную заменяемость в первую очередь влияют присоединительные параметры объектива.

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 Nikon DS-Fi2 ;
• цифровую камеру Nikon DS-Qi1 ;
• цифровую камеру Nikon DS-Vi1 ;
• цифровую камеру Nikon DS-Fi1c ;
• цифровую камеру Nikon DS - Ri 1 .

Каталог микроскопов

Прямые микроскопы	Eclipse Е
	Eclipse Ci
	Nikon Ni
	Nikon Ti
Стереомикроскопы	SMZ25/SMZ18
	SMZ745/745T
	SMZ800N
	SMZ 660
	SMZ 445/460

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.

МИКРОСКОП - оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов или деталей их структуры, не видимых невооруженным глазом; относится к числу наиболее распространенных приборов, применяемых в биологии и медицине.

Историческая справка

Способность систем из двух линз увеличивать изображение предметов была известна мастерам, изготовлявшим очки (см.). О таких свойствах полушаровидных и плосковыпуклых линз знали оптики-ремесленники Нидерландов и Сев. Италии в 16 в. Есть сведения, что приблизительно в 1590 г. прибор типа М. был построен Янсеном (Z. Jansen) в Нидерландах.

Сначала появились» простые М., состоящие из одного объектива (см. Лупа), а затем были сконструированы более сложные М., имеющие, кроме объектива, и окуляр.

Быстрое распространение и совершенствование М. началось после того, как Галилей (G. Galilei), совершенствуя сконструированную им зрительную трубу, стал использовать ее как своеобразный М. (1609 -1610), изменяя расстояние между объективом и окуляром.

Позднее, в 1624 г., добившись изготовления более короткофокусных линз, Галилей значительно уменьшил габариты своего микроскопа.

В 1625 г. членом Римской «Академии зорких» («Academia dei lincei») И. Фабером был предложен термин «микроскоп».

Первые успехи, связанные с применением М. в научных биол, исследованиях, были достигнуты Гуком (R. Hooke), к-рый первым описал растительную клетку (ок. 1665 г.).

А. Левенгук с помощью М. обнаружил и зарисовал сперматозоиды, различных простейших, детали строения костной ткани (1673 - 1677).

В 1668 г. Б]. Дивини, присоединив к окуляру полевую линзу, создал окуляр современного типа; в 1673 г. Гавелий ввел микрометрический винт, а Гертель предложил под столик микроскопа поместить зеркало. Таким образом, М. стали монтировать из тех основных деталей, к-рые входят в состав современного биол. М.

В начале 18 в. М. появились в России; здесь Эйлер (Z. Euler) впервые разработал методы расчета оптических узлов микроскопа.

В 18 и 19 вв. М. продолжали совершенствоваться. В 1827 г. Амичи (G. В. Amici) впервые применил в М. иммерсионный объектив.

В конце 18 - начале 19 в. была предложена конструкция и дан расчет ахроматических объективов для М., благодаря чему их оптические качества значительно улучшились, а увеличение объектов, обеспечиваемое такими М., возросло с 500 до 1000 раз.

В 1850 г. англ. оптик Сорби (Н. С. Sorby) сконструировал первый микроскоп для наблюдения объектов в поляризованном свете.

В 1872-1873 гг. Аббе (Е. Abbe) разработал ставшую классической теорию образования изображений несамосветящихся объектов в М. Труды англ. оптика Дж. Сиркса (1893) положили начало интерференционной микроскопии.

В 1903 г. Р. Жигмонди и Зидентопф (H. Siedentopf) создали ультрамикроскоп, в 1911 г. Саньяком (М. Sagnac) был описан первый двухлучевой интерференционный М., в 1935 г. 3ернике (F. Zernicke) предложил использовать метод фазового контраста для наблюдения в М. прозрачных, слабо рассеивающих свет объектов. В середине 20 в. был изобретен электронный микроскоп, в 1953 г. финским физиологом Вильской (A.Wilska) был изобретен аноптральный М.

Большой вклад в разработку проблем теоретической и прикладной оптики, усовершенствование оптических систем М. и микроскопической техники внесли М. В. Ломоносов, И. П.Кулибин, Л. И. Мандельштам, Д. С. Рождественский, А. А. Лебедев, С. И. Вавилов, В.П. Линник, Д. Д. Максутов и др.

Устройство биологического микроскопа

Биологический М. (рис. 1) крепится на массивном штативе (основании), чаще всего имеющем подковообразную форму. Основание снабжено кронштейном, внутри которого находится коробка микромеханизма тонкой настройки тубуса М. Кроме того, коробка микромеханизма имеет направляющую для кронштейна конденсора. Сверху к коробке микромеханизма при помощи особого кронштейна прикреплен вращающийся центрирующийся столик. Дугообразный тубусодержатель в нижней своей части снабжен макровинтом с двумя барашками, служащим для грубого движения тубуса. Верхняя часть тубусодержателя снабжена снизу головкой для крепления револьвера с гнездами для объективов, а сверху - специальным посадочным гнездом для крепления сменных тубусов: бинокулярной насадки для визуальных исследований и монокулярного прямого тубуса для фотографирования.

Предметный столик М. имеет устройство для перемещения рассматриваемого препарата в направлениях, перпендикулярных друг другу. Отсчет передвижения препарата в том или другом направлении может быть произведен по шкалам с нониусами с точностью до 0,1 мм.

Рис. 2. Принципиальная оптическая схема биологического микроскопа с осветителем: 1 - глаз наблюдателя; 2 - окуляр; 3 - рассматриваемый объект (препарат); 3 - образуемое окуляром мнимое перевернутое изображение объекта, лучи от которого, проходя через оптические системы глаза наблюдателя, создают на сетчатке глаза действительное изображение объекта; 3" - перевернутое и увеличенное действительное изображение объекта; 4 - объектив; 5 - конденсор, концентрирующий на объекте пучок света, отражающегося от зеркала; 6 - апертурная диафрагма; 7 - зеркало; 8 - полевая диафрагма; 9 - линза-коллектор осветителя; 10 - источник света; 11 - предметное стекло, на котором располагают рассматриваемый объект; D - расстояние наилучшего видения; стрелками показан ход лучей в оптической системе микроскопа.

Принципиальная оптическая схема биол. М. приведена на рисунке 2.

Лучи света, отраженные зеркалом, собираются конденсором. Конденсор (рис. 3) состоит из нескольких линз, вмонтированных в металлическую оправу, закрепляемую винтом в гильзе кронштейна конденсора, и представляет собой светосильный короткофокусный объектив. Светосила (апертура) конденсора зависит от числа линз. В зависимости от методов наблюдения применяют различные виды конденсоров: конденсоры светлого и темного поля; конденсоры, создающие косое освещение (под углом к оптической оси М.); конденсоры для исследования по методу фазового контраста и др. Конденсор темного поля для проходящего света обеспечивает освещение препарата полым конусом света с большим углом; конденсор для отраженного света представляет собой кольцеобразную зеркальную или зеркально-линзовую систему вокруг объектива, так наз. эпиконденсор.

Между зеркалом и конденсором расположена ирисовая диафрагма (ирис-диафрагма), иначе называемая апертурной, т. к. степень ее раскрытия регулирует апертуру конденсора, к-рая всегда должна быть чуть-чуть ниже апертуры применяемого объектива. Диафрагма в конденсоре может располагаться и между его отдельными линзами.

Основным оптическим элементом М. является объектив. Он дает действительное перевернутое и увеличенное изображение изучаемого объекта. Объективы представляют собой систему взаимно центрированных линз; ближняя к объекту линза называется фронтальной. Даваемое ею действительное изображение объекта страдает рядом аберраций (см.), свойственных каждой простой линзе, к-рые устраняются вышележащими коррекционными линзами. Большинство этих линз весьма сложно: они изготовлены из разных сортов стекла или даже других оптических материалов (напр., флюорита). Объективы по степени исправления аберраций делятся на несколько групп. Наиболее простыми являются ахроматические объективы, у них исправлена хроматическая аберрация для двух длин волн и сохраняется лишь небольшая остаточная окраска изображения (ореол). Несколько меньшие хроматические аберрации имеют полуапохроматические, или флюоритовые, системы: их хроматическая аберрация исправлена для трех длин волн. Планахроматические и планапохроматические системы устраняют кривизну изображения (т. е. дают плоское поле изображения) и хроматические аберрации. Каждый объектив характеризуется свойственным ему собственным увеличением, фокусным расстоянием, численной апертурой и нек-рыми другими константами. Собственное увеличение зависит от переднего фокусного расстояния объектива, по величине к-рого объективы делятся на сильные (с фокусным расстоянием 1,5-3 мм), среднесильные (с фокусным расстоянием 3,5 мм), средние (фокусное расстояние 5-12 мм) у слабые (фокусное расстояние 12-25 мм) и слабейшие (фокусное расстояние более 25 мм).

Численная апертура объективов (и конденсоров) определяется произведением Sin половины отверстного угла, под к-рым объект «видит» центр фронтальной линзы объектива (ее «зрачок») и фронт линзы конденсора, на показатель преломления среды, заключенной между этими оптическими системами. Если этой средой является воздух, чередующийся с пластинкой предметного стекла, на к-ром лежит объект, то численная апертура не может быть выше 0,95, т. к. показатель преломления воздуха равен 1. Для того чтобы повысить численную апертуру, объектив погружают (иммергируют) в воду, глицерин или иммерсионное масло, т. е. в такую среду, показатель преломления к-рой выше 1. Такие объективы называют иммерсионными. Объективы М. для изучения объектов в проходящем свете рассчитаны на применение покровных стекол, объективы для исследований в падающем свете позволяют рассматривать объект без покровного стекла.

Рис. 4. Схематическое изображение окуляра Гюйгенса (I) и хода лучей в нем, образующих изображение (II): 1,9 - полевая линза; 2,6 - диафрагма; 3 - оправа окуляра; 4,8 - глазная линза; 5 - главная оптическая ось; 7 - выходной зрачок; 10 - первичное изображение; H и H" - основные плоскости.

Изображение, к-рое дает объектив, рассматривают через оптическую систему, называемую окуляром. Изображение в окуляре - увеличенное мнимое. Увеличение окуляров обычно указано на их оправе, напр. 5х, 10х, 15х и т.п. Окуляры можно разделить на две основные группы: нормальные, с обычным полем зрения, и широкоугольные. Из различных систем окуляров наиболее распространенными являются окуляр Гюйгенса и окуляр Рамсдена. Окуляр Гюйгенса (рис. 4), который состоит из двух плоско-выпуклых линз, обращенных выпуклой стороной к объективу, применяется при работе с ахроматическими и планахроматическими объективами при небольших увеличениях. Окуляр Рамсдена (рис. 5) состоит также из двух плоско-выпуклых линз, но обращенных выпуклыми сторонами друг к другу. Этот окуляр можно использовать и в качестве лупы (см.).

Для исправления (компенсации) остаточных хроматических аберраций объектива служат так наз. компенсационные окуляры; наиболее сильные из них дают увеличение в 20 раз.

Компенсационные окуляры состоят из комбинации склеенных и одиночных линз, подобранных таким образом, что их хроматическая ошибка обратна остаточному хроматизму апохроматического объектива, и поэтому компенсирующих остаточный хроматизм объектива. Фотоокуляры и проекционные окуляры служат для проектирования изображения на фотопленку или экран. В нек-рых случаях в М. вместо окуляров применяют так наз. гомалы - оптические системы, исправляющие кривизну изображения апохроматических объективов и предназначенные для проектирования изображения и фотографирования. Для измерения размеров изучаемых микроскопических объектов применяют окуляр-микрометр (см.).

Осветители для микроскопа

Источником света для М. могут служить самые разнообразные лампы: лампы накаливания, ртутно-кварцевые и др.

При работе с мощными источниками света для предохранения препаратов от перегревания или высыхания применяют теплозащитные фильтры (цельностеклянные или заполненные жидкостью полупрозрачные пластинки), поглощающие световые лучи неиспользуемых длин волн (напр., лучи длинноволнового участка спектра) и тепловые лучи. При исследовании препарата в проходящем свете источник света располагается под объектом, при исследовании в отраженном свете - над объектом или сбоку от него. В нек-рых, гл. обр. исследовательских, М., напр. МБИ-6, МБИ-15 и др., специальные осветители входят в состав конструкции М. В других случаях применяют выпускаемые промышленностью осветители различных марок. Нек-рые из них имеют трансформаторы, стабилизирующие напряжение, подаваемое на лампу, и реостаты для регулирования накала лампы.

Наиболее простым по устройству является осветитель ОС-14. Его применяют при наблюдении микрообъектов в проходящем свете в светлом поле. Осветитель ОИ-19 имеет более интенсивный источник света и используется для наблюдений в светлом и темном полях, методом фазового контраста и пр., а также для микрофотографирования в светлом поле. Осветитель ОИ-25 предназначен для наблюдений в проходящем свете. Он устанавливается непосредственно под конденсором вместо зеркала. Этот осветитель часто используют при работе с портативными моделями М. Осветитель ОИ-9М применяют гл. обр. при работе в проходящем свете с поляризационными М.; осветитель ОИ-24 используют при работе с биологическими и поляризационными М. Он предназначен для фотографирования микрообъектов и имеет набор светофильтров. Люминесцентный осветитель СИ-18 применяют для работы с биол., люминесцентными и другими М. Источником света в нем служит ртутно-кварцевая лампа, позволяющая работать со светом УФ-части спектра, как проходящим, так и отраженным.

Оптическая схема и принцип действия микроскопа

Построение изображения в М. можно объяснить с точки зрения геометрической оптики. Лучи света от источника света через зеркало и конденсор попадают на объект. Объектив строит действительное изображение объекта. Это изображение рассматривается через окуляр. Общее увеличение М. (Г) определяется как произведение линейного увеличения объектива (β) на угловое увеличение окуляра (Г ок) : Г = β*Г ок; β = Δ/f" об, где Δ - расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, a f" об - фокусное расстояние объектива. Увеличение окуляра Г ок = 250/f" ок, где 250 - расстояние от глаза до изображения в мм, f" ок - фокусное расстояние окуляра. Увеличение объективов обычно составляет от 6,3 до 100, а окуляров - от 7 до 15. Общее увеличение М. находится в пределах 44-1500; его можно подсчитать путем умножения величин, характеризующих увеличение окуляра и объектива. Технически возможно создать М., объективы и окуляры к-рых дадут общее увеличение, значительно превышающее 1500. Однако обычно это нецелесообразно. Существенный вклад в построение изображения в М. вносят явления дифракции и интерференции света. Каждая малая точка освещенного объекта, согласно теории Гюйгенса, сама становится как бы центром новой световой волны, распространяющейся по всем направлениям. Все возникающие волны при этом интерферируют, образуя дифракционные спектры, при этом возникают темные и светлые участки (минимумы и максимумы). По теории Аббе изображение в М. получается подобным объекту лишь в том случае, если в объектив попадут все достаточно интенсивные максимумы. Чем меньше максимумов участвует в построении изображения объекта, тем меньше изображение сходно с объектом.

Типы микроскопов

Кроме биологического М. различают стереоскопический, контактный, темнопольный, фазово-контрастный, интерференционный, ультрафиолетовый, инфракрасный, поляризационный, люминесцентный, рентгеновский, сканирующий, телевизионный, голографический, микроскопы сравнения и другие типы М. Нек-рые из них, напр, фазово-контрастный и люминесцентный, могут быть при необходимости созданы на базе обычного биол. М. с помощью соответствующих приставок.

Стереоскопический микроскоп представляет собой, по сути дела, два М., объединенных единой конструкцией таким образом, что левый и правый глаза видят объект под разными углами. Это дает стереоскопический эффект, облегчающий исследование многих объемных объектов. Этот М. широко применяется в различных сферах медико-биологических исследований. Особенно необходим он при проведении микроманипуляций в ходе наблюдения (биол, исследования, микрохирургических операций и т. п.). Удобство ориентировки в поле зрения М. создается включением в его оптическую схему призм, к-рые играют роль оборачивающих систем: изображение в таких стереоскопических М. прямое, а не перевернутое.

Стереоскопические М. имеют, как правило, небольшое увеличение, не более чем в 120 раз. Выпускаемые М. можно разделить на две группы: М. с двумя объективами (БМ-56 и др.) и М. с одним объективом (МБС-1, МБ С-2, МБС-3 и др.). Бинокулярный М. БМ-56 является наиболее простым из стереоскопических М. и состоит из двух самостоятельных оптических систем, каждая из к-рых дает отдельное изображение.

Стереоскопический М. МБС-1 работает в проходящем и отраженном свете (рис. 6). Стереоскопический М. МБ С-2 имеет универсальный штатив, к-рый позволяет работать с объектами больших размеров. Стереоскопический М. МБС-3 отличается от предыдущих оптической конструкцией, в к-рой в значительной степени уменьшена сферохроматическая аберрация, исправлена кривизна изображения.

Существуют также специальный бинокулярный налобный М., предназначенный для микрохирургических операций (см. Микрохирургия , Микрургия), и операционный микроскоп (см.).

Микроскопы сравнения состоят из двух конструктивно объединенных обычных М. с единой окулярной системой. В таком М. в двух половинах поля зрения видны изображения сразу двух объектов, что дает возможность сравнивать их по цвету, структуре, распределению элементов и т. д. М. такого типа применяют при сравнительном изучении каких-либо объектов в норме и патологии, прижизненном состоянии и после фиксации или окраски различными методами. М. сравнения используются и в судебной медицине.

Контактный микроскоп , используемый для прижизненного изучения различных биол, структур, отличается от других М. наличием особых контактных объективов, к-рые представляют собой видоизмененные иммерсионные объективы. К ним первоначально приклеивали тонкую пластинку стекла и создавали непосредственный контакт с поверхностью изучаемого объекта. В 1963 г. А. П. Грамматин предложил и рассчитал объективы, предназначенные специально для контактной микроскопии. Фокусировка в контактном М. осуществляется специальной оптической системой, т. к. объектив неподвижно прижат к объекту. В флюоресцентном контактном М. изучаемый участок объекта освещается коротковолновыми лучами через контактный объектив с помощью опак-иллюминатора с интерференционным светоделителем.

Темнопольный микроскоп , используемый в работе по методу темного поля (см. Темнопольная микроскопия), позволяет наблюдать изображения прозрачных, не поглощающих свет объектов, не видимых при освещении по методу светлого поля. Такими объектами часто являются биол. объекты. В темнопольном М. свет от осветителя и зеркала направляется на препарат специальным конденсором, так наз. конденсором темного поля. По выходе из конденсора основная часть лучей света, не изменившая своего направления при прохождении через прозрачный препарат, образует пучок в виде полого конуса, к-рый не попадает в объектив, находящийся внутри этого конуса. Изображение в темнопольном М. создается лишь небольшой частью лучей, рассеянных микрочастицами препарата внутрь этого полого конуса и прошедшими через объектив. Темно-польные М. применяют при микрургических операциях на отдельных клетках, при изучении механизма репарационного процесса, регистрации различного состояния клеточных элементов и т. п. Методом темнопольной микроскопии можно также исследовать объекты, размеры к-рых гораздо меньше разрешающей способности светового М. (см. Ультрамикроскоп).

Фазово-контрастный микроскоп и его разновидность - аноптральный М. служат для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, не видимых при наблюдении по методу светлого поля. Обычно эти объекты не могут быть окрашены, т. к. окраска губительно действует на их структуру, локализацию хим. соединений в клеточных органеллах и т. п. (см. Фазово-контрастная микроскопия). Этот метод широко применяется в микробиологии. В клинико-диагностических лабораториях он используется для исследования мочи, нефиксированных тканей (напр., при диагностике злокачественных опухолей), нек-рых фиксированных гистол. препаратов (cм. Гистологические методы исследования).

Рис. 7. Оптическая схема фазово-контрастного микроскопа с осветителем: 1 - осветитель; 2 - апертурная диафрагма; 3 - конденсор; 4 - изучаемый объект; 4" - изображение изучаемого объекта; 5 - объектив; 6 - фазовая пластинка, на поверхности которой имеется кольцевой выступ или кольцевая канавка, так называемое фазовое кольцо (сплошными стрелками показан ход обычных лучей, пунктирными - диафрагмированных).

В фазово-контрастном М. (рис. 7) в переднем фокусе конденсора устанавливают апертурную диафрагму, отверстие к-рой имеет форму кольца. Изображение, построенное ею, образуется вблизи заднего фокуса объектива, и там же устанавливают фазовую пластинку. Она может быть установлена и не в фокусе объектива (часто фазовое кольцо наносят прямо на поверхность одной из линз объектива), но лучи света от осветителя, проходя через объект, должны полностью проходить через фазовое кольцо, к-рое значительно их ослабляет и изменяет их фазу на четверть длины волны. Лучи, даже немного отклоненные (рассеянные) в препарате, не попадают в фазовое кольцо и не претерпевают сдвига фазы. С учетом фазового сдвига лучей света в материале препарата разность фаз между отклоненными и неотклоненными лучами усиливается; в результате интерференции света в плоскости изображения лучи усиливают или ослабляют друг друга, давая контрастное изображение структуры препарата.

Промышленность выпускает различные фазово-контрастные устройства к М. Фазово-контрастное устройство КФ-4 состоит из конденсора и набора объективов. Его можно применять с биол., поляризационными, люминесцентными и другими М. Фазово-контрастное устройство КФ-5 отличается от КФ-4 тем, что фазовые пластинки на его объективах нанесены в виде двух колец, контрастность изображения также несколько выше. Фазово-контрастное устройство МФА-2 отличается от КФ-4 размером фазовых колец и способом их нанесения.

Аноптральный М. является разновидностью фазово-контрастного М. и позволяет исследовать малоконтрастные живые объекты (простейшие, бактерии, вирусы), но дает более контрастное изображение, чем обычный фазово-контрастный микроскоп. Нежелательным при применении аноптрального М. можно считать появление в нек-рых случаях ореолов вокруг изображения объектов. Промышленностью выпускается комплект для аноптральной микроскопии КАФ-2 и др.

Интерференционный микроскоп предназначен для решения тех же задач, что и фазовоконтрастный М., однако между ними имеются и существенные различия. В интерференционном М. можно наблюдать участки объектов не только с большими, но и с малыми градиентами показателя преломления или толщины, т. е. можно изучать детали прозрачных объектов независимо от их формы и размеров, а не только их контуры, как в фазово-контрастном М.

Принцип, лежащий в основе конструкции интерференционного М., состоит в том, что каждый луч, входящий в М., раздваивается: один из полученных лучей направляется сквозь наблюдаемую частицу объекта, а другой - мимо нее по той же или дополнительной оптической ветви М. (рис. 8). В окулярной части такого М. оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой.

Интерференционный М. пригоден для изучения живых и нефиксированных тканей, он позволяет с помощью различных устройств производить измерения, на основании к-рых можно вычислить, напр., массу сухого вещества растительной: или животной клетки, концентрацию, размеры объекта, содержание белков в живых и фиксированных объектах и т. п. (рис. 9).

Промышленность выпускает большое число различных интерференционных М., предназначенных для биол., мед., металлографических и других исследований. Примером может служить интерференционный биол, микроскоп МБИН-4, предназначенный для исследования образцов в проходящем свете интерференционным методом. Он позволяет так-же измерять разности хода- лучей, возникающие при их прохождении через различные участки объекта.

Метод интерференционного контраста часто сочетают с другими методами микроскопии, напр. с наблюдением объектов в поляризованном свете, в УФ-свете и т. п., что позволяет, напр., определить содержание нуклеиновых к-т в общей сухой массе объекта.

Ультрафиолетовый и инфракрасный микроскопы предназначены для исследования объектов в ультрафиолетовых (УФ) и инфракрасных (ИК) лучах. Эти М. снабжены фотокамерами, флюоресцирующими экранами или электронно-оптическими преобразователями для фиксации изображения. Разрешающая способность УФ-микроскопов значительно выше, чем разрешающая способность обычных М., т. к. их предельное разрешение, зависящее от длины волны, ниже. Длина волны света, используемого в УФ-микроскопии, 400 - 250 нм, тогда как длина волны видимого света 700-400 нм. Однако главное преимущество УФ-микроскопов заключается в том, что частицы многих веществ, прозрачные в видимом свете, сильно поглощают УФ-излучение определенных длин волн и, следовательно, легко различимы в УФ-изображениях. Характерными спектрами поглощения в УФ-области спектра обладает ряд веществ, содержащихся в растительных и животных клетках. Такими веществами являются белки, пуриновые основания, пиримидиновые основания, ароматические аминокислоты, нек-рые липиды, витамины, тироксин и другие биологически активные соединения.

Исследовательский УФ-микроскоп МУФ-6 (рис. 10) предназначен для биол, исследований в проходящем и отраженном свете. Он позволяет проводить фотографирование объектов, а также фотографическую регистрацию оптической плотности и спектров поглощения участков образца при освещении их монохроматическим светом.

Микрофотометрическая ультрафиолетовая установка МУФ-5 предназначена для исследования биол, объектов в проходящем свете. На ней можно производить автоматическую запись спектров поглощения, с помощью сканирующего предметного столика записывать изменения оптической плотности вдоль выбранного направления в нужном спектральном интервале, фотографировать флюоресценцию объектов.

Наблюдение объектов с помощью инфракрасного микроскопа также требует преобразования невидимого для глаза изображения в видимое путем его фотографирования или с помощью электронно-оптического преобразователя. Инфракрасный микроскоп, напр. МИК-1 (рис. 11), позволяет изучить внутреннюю структуру непрозрачных для видимого света объектов (напр., зоол., палеонтол., антропол, препаратов и пр.). Выпускаемый промышленностью инфракрасный микроскоп МИК-4 позволяет рассматривать объекты при свете с длиной волн от 750 до 1200 нм, в т. ч. и в поляризованном свете.

Поляризационный микроскоп позволяет наблюдать изучаемые объекты в поляризованном свете и служит для изучения препаратов, оптические свойства к-рых неоднородны, т. е. так наз. анизотропных объектов (см. Анизотропия). Такими объектами являются мио- и нейрофибриллы, коллагеновые волокна и т. п. Свет, излучаемый осветителем в системе такого М., пропускают через поляризатор; поляризация (см.), сообщенная при этом свету, меняется при последующем его прохождении через препарат (или отражении от него). Это дает возможность выделить различные элементы в препарате и их ориентацию в пространстве, что особенно важно при изучении медико-биол. объектов. В поляризационном М. исследования можно производить как в проходящем, так и в отраженном свете. Узлы поляризационных М. предназначены для точных количественных измерений: окуляры имеют перекрестия, микрометрические шкалы и т. п.; вращающийся предметный столик имеет угломерный лимб.

Промышленность выпускает поляризационные М. различного назначения. Примером такого М. является универсальный поляризационный микроскоп МИН-8 (рис. 12), к-рый имеет необходимое оснащение и дополнительные принадлежности для других поляризационных исследований, кроме микроскопических. Лучшими зарубежными приборами такого типа являются универсальные микроскопы «Ортолюкс-Поль» фирмы «Лейтц» (ФРГ) и «Поль» фирмы «Оптон».

Люминесцентный микроскоп. Устройство люминесцентных М. основано на нек-рых физ.-хим. законах люминесценции (см. Люминесцентная микроскопия). Высокая чувствительность люминесцентных М. используется в микробиол., иммунол., цитол, и биофизических исследованиях.

Выпускаемый промышленностью люминесцентный микроскоп МЛ-3 предназначен для наблюдения и фотографирования объектов в свете их видимой флюоресценции в отраженном свете. Люминесцентный микроскоп МЛ-2 отличается от МЛ-3 возможностью наблюдения объектов в проходящем свете. Люминесцентные устройства, используемые чаще вместе с обычными М., содержат осветитель с ртутной лампой, набор светофильтров и так наз. опак-иллюминатор для освещения препаратов сверху. В сочетании с обычными люминесцентными М. используют фотометрическую наладку ФМЭЛ-1, к-рая служит для количественного измерения интенсивности видимой флюоресценции. Микрофлюориметр МЛИ-1 применяют для исследования ультрафиолетовой и видимой флюоресценции в отраженном свете. Прибор позволяет производить количественные измерения флюоресценции, фотографирование, измерение спектров флюоресценции, возбуждения флюоресценции.

Рентгеновский микроскоп предназначен для исследования объекта в рентгеновских лучах. Фокусировка лучей в рентгеновских М. имеет свои особенности: для этого в них используются изогнутые зеркальные плоскости. В рентгеновском М. имеются также микрофокусный источник рентгеновского излучения и детекторы изображения: фотопленки или электтронно-оптические преобразователи. Рентгеновские М. этого типа имеют ряд недостатков, связанных со структурными несовершенствами монокристаллов и сложностями точной обработки зеркал, ввиду чего они не получили широкого применения.

Принцип проекционных, или «теневых», рентгеновских М. основан на методе проекции в расходящемся пучке лучей от точечного сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей. Такие М. имеют также камеры для микрообъекта и регистрирующего устройства. Линейное разрешение М. этого типа до 0,1 мкм.

Рентгеновские М. применяют при исследовании объектов, различные участки к-рых избирательно поглощают рентгеновские лучи, а также объектов, непрозрачных для иных лучей. Нек-рые модели рентгеновских М. оснащены преобразователями рентгеновского излучения в видимое и телевизионными устройствами.

Сканирующий микроскоп позволяет осуществлять последовательный осмотр объекта в каждой точке или его изображения фотоэлектрическим преобразователем с измерением интенсивности света, прошедшего через объект или отраженного от него. Сканирование объекта сводится к последовательному измерению коэффициента пропускания или отражения лучей света от объекта в каждой его точке и преобразованию его в электрический сигнал. Вид характеристик микроструктур, получаемых в результате обработки видеосигналов, определяется алгоритмами (см.), вводимыми в соответствующие вычислительные устройства; т. о., сканирующий М. представляет собой сочетание собственно М. и информационной сканирующей системы. Он является составной частью конструкции анализаторов и счетчиков частиц, телевизионных М., сканирующих и интегрирующих микрофотометров и т. д. Сканирующие М. используют в микробиологии, цитологии, генетике, гистологии, физиологии и других областях биологии и медицины.

Является перспективным использование сканирующих М. или конструкций, в состав к-рых они входят, в диагностических целях, для изучения строения и структуры тканей, в т. ч. и крови, выявления в них возрастных и патол, изменений, обнаружения атипичных клеток в срезах тканей и т. п. В экспериментальной медицине сканирующие М. применяют с целью контроля роста и развития тканей и клеток в культурах и т. п.

Промышленность выпускает сканирующие устройства, выполненные в виде насадок к световому микроскопу.

Системы сканирования могут быть телевизионными и механическими. Телевизионные применяют в основном для анализа геометрических и статистических характеристик и классификации микрообъектов. Механические более универсальны и точны. Они позволяют работать в заданном спектральном интервале в УФ-области спектра и часто применяются для фотометрических измерений.

Телевизионный микроскоп конструктивно сочетает в себе М. с телевизионной техникой. Телевизионные М. работают по схеме микропроекции: изображение объекта преобразуется в последовательные электрические сигналы, к-рые затем воспроизводят это изображение в увеличенном масштабе на экране кинескопа. В зависимости от способа освещения исследуемого объекта телевизионные М. подразделяют на два типа: М. с передающей трубкой и М. с бегущим пятном.

Телевизионный М. с передающей трубкой представляет собой простую комбинацию оптического М. и телевизионного канала. Изображение, даваемое М., проецируется на экран кинескопа. При этом изображение сигналов можно наблюдать и на большом экране даже при малом освещении самого объекта.

В телевизионном М. с бегущим пятном используют оптическое сканирование объекта движущимся лучом света.

Телевизионные устройства часто используют в сочетании с фазовоконтрастными М. Этим достигается наибольшая контрастность изображения. Высокая яркость изображений в телевизионных М. позволяет использовать их для проведения фото- и киносъемок как неподвижных, так и движущихся объектов. Телевизионные М. можно использовать и как дистанционный прибор, т. е. сам телевизионный приемник может быть установлен на значительном расстоянии от М., что особенно важно при исследовании объектов, близость к к-рым опасна для наблюдателя (напр., радиоактивных). В телевизионном микроскопе возможно изучение объектов в УФ- и ИК-лучах; его используют также как телевизионный микроспектрофотометр. При использовании дополнительных электронных систем возможно получение цветного изображения. На основе телевизионных М. созданы автоматические счетчики микрочастиц (см. Автоанализаторы). Изображение в этом случае специальными счетными приспособлениями преобразуется в серию электрических сигналов, что позволяет просто и с большой скоростью производить подсчет числа различных частиц в препарате (эритроцитов и лейкоцитов в крови, колоний бактерий, частиц аэрозолей в воздухе, кристаллов и зерен в минералах и т. п.), а также целый комплекс других измерений.

Промышленность выпускает телевизионные М. различных типов. Ультрафиолетовый телевизионный М. амер. фирмы «Ньютроникс Рисерч» представляет собой телевизионный микроспектрофотометр. Он дает трехцветное изображение объекта, соответствующее трем выбранным длинам волн в УФ-части спектра. Такой М. позволяет производить абсорбционные измерения.

Количественный телевизионный М. «КТМ» англ. фирмы «Металз Рисерч» дает возможность измерять отдельно элементы изображения с разной освещенностью в пределах шести ступеней интенсивности, определять процент площади, занимаемой нек-рой составной частью структуры, определять среднее число частиц для расчета их среднего размера, оценивать распределение частиц по группам крупности.

Голографический микроскоп служит для построения изображений объектов голографическим методом, т. е. методом получения объемного изображения объекта, основанным на интерференции волн (см. Голография). Голограмма позволяет получить изображение, к-рое является результатом регистрации не только амплитуд (как в фотографии), но и фаз световых волн, рассеянных объектом. В голографическом М. источником волн служит лазерный луч (см. Лазер). При использовании импульсных лазерных источников возможно получение голограмм движущихся объектов. Конструктивное сочетание голографических устройств с обычным М. позволяет располагать объект вертикально, что необходимо при исследовании, напр., клеточных суспензий. Голограмма получается с изображения, созданного объективом. Восстановленная голограмма воспроизводит изображение, к-рое наблюдают через окуляр М. Применение голографического метода является перспективным для изучения прозрачных (фазовых) объектов; его можно также использовать для получения изображений микрообъектов, содержащих медленно движущиеся области в статическом окружении (циркуляция крови, поглощение пузырьков воздуха в капиллярах и т. д.). Голографический М. нашел применение в криоскопии для изучения различных клеток в норме и при замораживании (напр., наблюдение за процессами внутриклеточной кристаллизации). В голографическом М. возможно получение разрешения ок. 1 мкм, а также черно-белых и цветных голограмм.

Голографические устройства находят все более широкое применение в качестве автоматических анализаторов микрочастиц. Распознавание микрочастиц с использованием этого метода ускоряется в десятки тысяч раз. Поиск объекта ведут одновременно по всей голограмме. Для управления работой и обработки результатов голографические установки соединяют с ЭВМ.

Библиография: Барский И. Я., Поляков Н. И. и Якубенас В. А. Контактная микроскопия, М., 1976, библиогр.; Бернштейн А. С., Джохад-з e Ш. Р. и Перова Н. И. Фотоэлектрические измерительные микроскопы, М., 1976, библиогр.; Воронин В. В. Основы теории микроскопа, Тбилиси, 1965; М а й с т р о в Л. Е. Приборы и инструменты исторического значения, Микроскопы, М., 1974; Машинный анализ микроскопических объектов, под ред. Г. М.Франка, М., 1968; Панов В. А. и А н д-р e e в Л. Н. Оптика микроскопов, Л., 1976, библиогр.: Сканирующая техника в исследовании клеточных популяций, клеток, органоидов и макромолекул, под ред. Г. М. Франка, Пущино-на-Оке, 1973; Скворцов Г. Е.и др. Микроскопы, Л., 1969, библиогр.; Федин Л. А. Микроскопы, принадлежности к ним и лупы, М., 1961, библиогр.; ЧернухА. М. и др. Некоторые вопросы применения голографии в медико-биологических исследованиях, Мед. техн., № 1, с. 30, 1976, библиогр.

Ю. В. Агибалов, Н. Г. Будковская, А. Б. Цыпин.

Электрическая часть микроскопа

В отличие от лупы, микроскоп имеет, как минимум, две ступени увеличения. Функциональные и конструктивно-технологические части микроскопа предназначены для обеспечения работы микроскопа и получения устойчивого, максимально точного, увеличенного изображения объекта. Здесь мы рассмотрим устройство микроскопа и постараемся описать основные части микроскопа.

Функционально устройство микроскопа делится на 3 части:

1. Осветительная часть

Осветительная часть конструкции микроскопа включает источник света (лампа и электрический блок питания) и оптико-механическую систему (коллектор, конденсор, полевая и апертурная регулируемые/ирисовые диафрагмы).

2. Воспроизводящая часть

Предназначена для воспроизведения объекта в плоскости изображения с требуемым для исследования качеством изображения и увеличения (т. е. для построения такого изображения, которое как можно точнее и во всех деталях воспроизводило бы объект с соответствующим оптике микроскопа разрешением, увеличением, контрастом и цветопередачей).
Воспроизводящая часть обеспечивает первую ступень увеличения и расположена после объекта до плоскости изображения микроскопа.
Воспроизводящая часть включает объектив и промежуточную оптическую систему.

Современные микроскопы последнего поколения базируются на оптических системах объективов, скорректированных на бесконечность. Это требует дополнительно применения так называемых тубусных систем, которые параллельные пучки света, выходящие из объектива, «собирают» в плоскости изображения микроскопа.

3. Визуализирующая часть

Предназначена для получения реального изображения объекта на сетчатке глаза, фотоплёнке или пластинке, на экране телевизионного или компьютерного монитора с дополнительным увеличением (вторая ступень увеличения).
Визуализирующая часть расположена между плоскостью изображения объектива и глазами наблюдателя (цифровой камерой).
Визуализирующая часть включает монокулярную, бинокулярную или тринокулярную визуальную насадку с наблюдательной системной (окулярами, которые работают как лупа).
Кроме того, к этой части относятся системы дополнительного увеличения (системы оптовара/смены увеличения); проекционные насадки, в том числе дискуссионные для двух и более наблюдателей; рисовальные аппараты; системы анализа и документирования изображения с соответствующими адаптерами для цифровых камер.

Схема расположения основных элементов оптического микроскопа

С конструктивно-технологической точки зрения, микроскоп состоит из следующих частей:

• механической;
• оптической;
• электрической.

1. Механическая часть микроскопа

Устройство микроскопа включается в себя штатив, который является основным конструктивно-механическим блоком микроскопа. Штатив включает в себя следующие основные блоки: основание и тубусодержатель .

Основание представляет собой блок, на котором крепится весь микроскоп и является одной из основных частей микроскопа. В простых микроскопах на основание устанавливают осветительные зеркала или накладные осветители. В более сложных моделях осветительная система встроена в основание без или с блоком питания.

Разновидности оснований микроскопа:

1. основание с осветительным зеркалом;
2. так называемое «критическое» или упрощенное освещение;
3. освещение по Келеру.

1. узел смены объективов, имеющий следующие варианты исполнения — револьверное устройство, резьбовое устройство для ввинчивания объектива, «салазки» для безрезьбового крепления объективов с помощью специальных направляющих;
2. фокусировочный механизм грубой и точной настройки микроскопа на резкость — механизм фокусировочного перемещения объективов или столиков;
3. узел крепления сменных предметных столиков;
4. узел крепления фокусировочного и центрировочного перемещения конденсора;
5. узел крепления сменных насадок (визуальных, фотографических, телевизионных, различных передающих устройств).

В микроскопах могут использоваться стойки для крепления узлов (например, фокусировочный механизм в стереомикроскопах или крепление осветителя в некоторых моделях инвертированных микроскопов).

Чисто механическим узлом микроскопа является предметный столик , предназначенный для крепления или фиксации в определенном положении объекта наблюдения. Столики бывают неподвижные, координатные и вращающиеся (центрируемые и нецентрируемые).

2. Оптика микроскопа (оптическая часть)

Оптические узлы и принадлежности обеспечивают основную функцию микроскопа — создание увеличенного изображения объекта с достаточной степенью достоверности по форме, соотношению размеров составляющих элементов и цвету. Кроме этого, оптика должна обеспечивать такое качество изображения, которое отвечает целям исследования и требованиям методик проводимого анализа.
Основными оптическими элементами микроскопа являются оптические элементы, образующие осветительную (в том числе, конденсор), наблюдательную (окуляры) и воспроизводящую (в том числе объективы) системы микроскопа.

Объективы микроскопа

— представляют собой оптические системы, предназначенные для построения микроскопического изображения в плоскости изображения с соответствующим увеличением, разрешением элементов, точностью воспроизведения по форме и цвету объекта исследования. Объективы являются одними из основных частей микроскопа. Они имеют сложную оптико-механическую конструкцию, которая включает несколько одиночных линз и компонентов, склеенных из 2-х или 3-х линз.
Количество линз обусловлено кругом решаемых объективом задач. Чем выше качество изображения, которое дает объектив, тем сложнее его оптическая схема. Общее число линз в сложном объективе может доходить до 14 (например, это может относиться к планапохроматическому объективу с увеличением 100х и числовой апертурой 1,40).

Объектив состоит из фронтальной и последующей частей. Фронтальная линза (или система линз) обращена к препарату и является основной при построении изображения соответствующего качества, определяет рабочее расстояние и числовую апертуру объектива. Последующая часть в сочетании с фронтальной обеспечивает требуемое увеличение, фокусное расстояние и качество изображения, а также определяет высоту объектива и длину тубуса микроскопа.

Классификация объективов

Классификация объективов значительно сложнее классификации микроскопов. Объективы разделяются по принципу расчетного качества изображения, параметрическим и конструктивно-технологическим признакам, а также по методам исследования и контрастирования.

По принципу расчетного качества изображения объективы могут быть:

• ахроматическими;
• апохроматическими;
• объективами плоского поля (план).

Ахроматические объективы .

Ахроматические объективы рассчитаны для применения в спектральном диапазоне 486-656 нм. Исправление любой аберрации (ахроматизация) выполнено для двух длин волн. В этих объективах устранены сферическая аберрация, хроматическая аберрация положения, кома, астигматизм и частично — сферохроматическая аберрация. Изображение объекта имеет несколько синевато-красноватый оттенок.

Апохроматические объективы .

Апохроматические объективы имеют расширенную спектральную область, и ахроматизация выполняется для трех длин волн. При этом, кроме хроматизма положения, сферической аберрации, комы и астигматизма, достаточно хорошо исправляются также вторичный спектр и сферохроматическая аберрация, благодаря введению в схему линз из кристаллов и специальных стекол. По сравнению с ахроматами, эти объективы обычно имеют повышенные числовые апертуры, дают четкое изображение и точно передают цвет объекта.

Полуапохроматы или микрофлюары .

Современные объективы, обладающие промежуточным качеством изображения.

Планобъективы .

В планобъективах исправлена кривизна изображения по полю, что обеспечивает резкое изображение объекта по всему полю наблюдения. Планобъективы обычно применяются при фотографировании, причем наиболее эффективно применение планапохроматов.

Потребность в подобного типа объективах возрастает, однако они достаточно дороги из-за оптической схемы, реализующей плоское поле изображения, и применяемых оптических сред. Поэтому рутинные и рабочие микроскопы комплектуются так называемыми экономичными объективами. К ним относятся объективы с улучшенным качеством изображения по полю: ахростигматы (LEICA), СР-ахроматы и ахропланы (CARL ZEISS), стигмахроматы (ЛОМО).

По параметрическим признакам объективы делятся следующим образом:

1. объективы с конечной длиной тубуса (например, 160 мм) и объективы, скорректированные на длину тубуса «бесконечность» (например, с дополнительной тубусной системой, имеющей фокусное расстояние микроскопа 160 мм);
2. объективы малых (до 10х); средних (до 50х) и больших (более 50х) увеличений, а также объективы со сверхбольшим увеличением (свыше 100х);
3. объективы малых (до 0,25), средних (до 0,65) и больших (более 0,65) числовых апертур, а также объективы с увеличенными (по сравнению с обычными) числовыми апертурами (например, объективы апохроматической коррекции, а также специальные объективы для люминесцентных микроскопов);
4. объективы с увеличенными (по сравнению с обычными) рабочими расстояниями, а также с большими и сверхбольшими рабочими расстояниями (объективы для работы в инвертированных микроскопах). Рабочее расстояние — это свободное расстояние между объектом (плоскостью покровного стекла) и нижним краем оправы (линзы, если она выступает) фронтального компонента объектива;
5. объективы, обеспечивающие наблюдение в пределах нормального линейного поля (до 18 мм); широкопольные объективы (до 22,5 мм); сверхширокопольные объективы (более 22,5 мм);
6. объективы стандартные (45 мм, 33 мм) и нестандартные по высоте.

Высота — расстояние от опорной плоскости объектива (плоскости соприкосновения ввинченного объектива с револьверным устройством) до плоскости предмета при сфокусированном микроскопе, является постоянной величиной и обеспечивает парфокальность комплекта аналогичных по высоте объективов разного увеличения, установленных в револьверном устройстве. Иными словами, если с помощью объектива одного увеличения получить резкое изображение объекта, то при переходе к последующим увеличениям изображение объекта остается резким в пределах глубины резкости объектива.

По конструктивно-технологическим признакам существует следующее разделение:

1. объективы, имеющие пружинящую оправу (начиная с числовой апертуры 0,50), и без нее;
2. объективы, имеющие ирисовую диафрагму внутри для изменения числовой апертуры (например, в объективах с увеличенной числовой апертурой, в объективах проходящего света для реализации метода темного поля, в поляризационных объективах отраженного света);
3. объективы с корректирующей (управляющей) оправой, которая обеспечивает движение оптических элементов внутри объектива (например, для корректировки качества изображения объектива при работе с различной толщиной покровного стекла или с различными иммерсионными жидкостями; а также для изменения увеличения при плавной — панкратической — смене увеличения) и без нее.

По обеспечению методов исследования и контрастирования объективы можно разделить следующим образом:

1. объективы, работающие с покровным и без покровного стекла;
2. объективы проходящего и отраженного света (безрефлексные); люминесцентные объективы (с минимумом собственной люминесценции); поляризационные объективы (без натяжения стекла в оптических элементах, т. е. не вносящие собственную деполяризацию); фазовые объективы (имеющие фазовый элемент — полупрозрачное кольцо внутри объектива); объективы ДИК (DIC), работающие по методу дифференциально-интерференционного контраста (поляризационные с призменным элементом); эпиобъективы (объективы отраженного света, предназначенные для обеспечения методов светлого и темного поля, имеют в конструкции специально рассчитанные осветительные эпи-зеркала);
3. иммерсионные и безыммерсионные объективы.

Иммерсия (от лат. immersio — погружение ) — жидкость, заполняющая пространство между объектом наблюдения и специальным иммерсионным объективом (конденсором и предметным стеклом). В основном применяются три типа иммерсионных жидкостей: масляная иммерсия (МИ/Oil), водная иммерсия (ВИ/W) и глицериновая иммерсия (ГИ/Glyc), причем последняя в основном применяется в ультрафиолетовой микроскопии.
Иммерсия применяется в тех случаях, когда требуется повысить разрешающую способность микроскопа или её применения требует технологический процесс микроскопирования. При этом происходит:

1. повышение видимости за счет увеличения разности показателя преломления среды и объекта;
2. увеличение глубины просматриваемого слоя, который зависит от показателя преломления среды.

Кроме того, иммерсионная жидкость может уменьшать количество рассеянного света за счет исчезновения бликов от объекта. При этом устраняются неизбежные потери света при его попадании в объектив.

Иммерсионные объективы. Качество изображения, параметры и оптическая конструкция иммерсионных объективов рассчитываются и выбираются с учетом толщины слоя иммерсии, которая рассматривается как дополнительная линза с соответствующим показателем преломления. Иммерсионная жидкость, расположенная между объектом и фронтальным компонентом объектива, увеличивает угол, под которым рассматривается объект (апертурный угол). Числовая апертура безыммерсионного (сухого) объектива не превышает 1,0 (разрешающая способность порядка 0,3 мкм для основной длины волны); иммерсионного — доходит до 1,40 в зависимости от показателя преломления иммерсии и технологических возможностей изготовления фронтальной линзы (разрешающая способность такого объектива порядка 0,12 мкм).
Иммерсионные объективы больших увеличений имеют короткое фокусное расстояние — 1,5-2,5 мм при свободном рабочем расстоянии 0,1-0,3 мм (расстояние от плоскости препарата до оправы фронтальной линзы объектива).

Маркировка объективов.

Данные о каждом объективе маркируются на его корпусе с указанием следующих параметров:

1. увеличение («х»-крат, раз): 8х, 40х, 90х;
2. числовая апертура: 0,20; 0,65, пример: 40/0,65 или 40х/0,65;
3. дополнительная буквенная маркировка, если объектив используется при различных методах исследования и контрастирования: фазовый — Ф (Рп2 — цифра соответствует маркировке на специальном конденсоре или вкладыше), поляризационный — П (Pol), люминесцентный — Л (L), фазово-люминесцентный — ФЛ (PhL), ЭПИ (Epi, HD) — эпиобъектив для работы в отраженном свете по методу темного поля, дифференциально-интерференционный контраст — ДИК (DIC), пример: 40х/0,65 Ф или Ph2 40x/0,65;
4. маркировка типа оптической коррекции: апохромат — АПО (АРО), планахромат — ПЛАН (PL, Plan), планапохромат — ПЛАН-АПО (Plan-Аро), улучшенный ахромат, полуплан — СХ — стигмахромат (Achrostigmat, CP-achromat, Achroplan), микрофлюар (полуплан-полуапохромат) — СФ или М-ФЛЮАР (MICROFLUAR, NEOFLUAR, NPL, FLUOTAR).

Окуляры

Оптические системы, предназначенные для построения микроскопического изображения на сетчатке глаза наблюдателя. В общем виде окуляры состоят из двух групп линз: глазной — ближайшей к глазу наблюдателя — и полевой — ближайшей к плоскости, в которой объектив строит изображение рассматриваемого объекта.

Окуляры классифицируются по тем же группам признаков, что и объективы:

1. окуляры компенсационного (К — компенсируют хроматическую разность увеличения объективов свыше 0,8%) и безкомпенсационного действия;
2. окуляры обычные и плоского поля;
3. окуляры широкоугольные (с окулярным числом — произведение увеличения окуляра на его линейное поле — более 180); сверхширокоугольные (с окулярным числом более 225);
4. окуляры с вынесенным зрачком для работы в очках и без;
5. окуляры для наблюдения, проекционные, фотоокуляры, гамалы;
6. окуляры с внутренней наводкой (с помощью подвижного элемента внутри окуляра происходит настройка на резкое изображение сетки или плоскость изображения микроскопа; а также плавное, панкратическое изменение увеличения окуляра) и без нее.

Осветительная система

Осветительная система является важной частью конструкции микроскопа и представляет собой систему линз, диафрагм и зеркал (последние применяются при необходимости), обеспечивающую равномерное освещение объекта и полное заполнение апертуры объектива.
Осветительная система микроскопа проходящего света состоит из двух частей — коллектора и конденсора.

Коллектор.
При встроенной осветительной системе проходящего света коллекторная часть расположена вблизи источника света в основании микроскопа и предназначена для увеличения размера светящегося тела. Для обеспечения настройки коллектор может быть выполнен подвижным и перемещаться вдоль оптической оси. Вблизи коллектора располагается полевая диафрагма микроскопа.

Конденсор.
Оптическая система конденсора предназначена для увеличения количества света, поступающего в микроскоп. Конденсор располагается между объектом (предметным столиком) и осветителем (источником света).
Чаще всего в учебных и простых микроскопах конденсор может быть выполнен несъемным и неподвижным. В остальных случаях конденсор является съемной частью и при настройке освещения имеет фокусировочное перемещение вдоль оптической оси и центрировочное перемещение, перпендикулярное оптической оси.
При конденсоре всегда находится осветительная апертурная ирисовая диафрагма.

Конденсор является одним из основных элементов, обеспечивающих работу микроскопа по различным методам освещения и контрастирования:

• косое освещение (диафрагмирование от края к центру и смещение осветительной апертурной диафрагмы относительно оптической оси микроскопа);
• темное поле (максимальное диафрагмирование от центра к краю осветительной апертуры);
• фазовый контраст (кольцевое освещение объекта, при этом изображение светового кольца вписывается в фазовое кольцо объектива).

Классификация конденсоров близка по группам признаков к объективам:

1. конденсоры по качеству изображения и типу оптической коррекции делятся на неахроматические, ахроматические, апланатические и ахроматические-апланатические;
2. конденсоры малой числовой апертуры (до 0,30), средней числовой апертуры (до 0,75), большой числовой апертуры (свыше 0,75);
3. конденсоры с обычным, большим и сверхбольшим рабочим расстоянием;
4. обычные и специальные конденсоры для различных методов исследования и контрастирования;
5. конструкция конденсора — единая, с откидным элементом (фронтальным компонентом или линзой большого поля), со свинчивающимся фронтальным элементом.

Конденсор Аббе — не исправленный по качеству изображения конденсор, состоящий из 2-х неахроматических линз: одной — двояковыпуклой, другой — плосковыпуклой, обращенной к объекту наблюдения (плоская сторона этой линзы направлена вверх). Апертура конденсора, А= 1,20. Имеет ирисовую диафрагму.

Апланатический конденсор — конденсор, состоящий из трех линз, расположенных следующим образом: верхняя линза — плосковыпуклая (плоская сторона направлена к объективу), далее следуют вогнуто-выпуклая и двояковыпуклая линзы. Исправлен в отношении сферической аберрации и комы. Апертура конденсора, А = 1.40. Имеет ирисовую диафрагму.

Ахроматический конденсор — конденсор, полностью исправленный в отношении хроматической и сферической аберрации.

Конденсор темного поля — конденсор, предназначенный для получения эффекта темного поля. Может быть специальным или переделан из обычного светлопольного конденсора путем установки в плоскости ирисовой диафрагмы конденсора непрозрачного диска определенного размера.

Маркировка конденсора.
На фронтальной части конденсора наносится маркировка числовой апертуры (осветительной).

3. Электрическая часть микроскопа

В современных микроскопах, вместо зеркал, используются различные источники освещения, питаемые от электрической сети. Это могут быть как обычные лампы накаливания, так и галогенные, и ксеноновые, и ртутные лампы. Также все большую популярность набирают светодиодные осветители. Они обладают значительными преимуществами перед обычными лампами, как например долговечность, меньшее энергопотребление и др. Для питания источника освещения используются различные блоки питания, блоки розжига и другие устройства, преобразующие ток из электрической сети в подходящий для питания того или иного источника освещения. Также это могут быть и аккумуляторные батареи, что позволяет использовать микроскопы в полевых условиях при отсутствии точки подключения.